Анализ процессов в биполярном транзисторе

4. Анализ процессов в биполярном транзисторе

Рассмотрим прежде всего, как работает транзистор (для примера типа n-р-n) в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питаю­щих напряжений E₁ и E₂ (рис. 4-1,а). Полярность их такова, что на эмит­терном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормаль­ного тока в этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е₂ обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 4-1,а видно, что напряжение между электродами транзистора связаны простой зависимостью:

(4.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда и, следовательно, .

Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе. А вольтамперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база-эмиттер (), существенно влияет на ток коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение , т. е. входное напря­жение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с по­мощью транзистора основано именно на этом явлении.

Рис 4-1. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n-р-n и р-n-р.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения понижается потенциальный барьер, в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход ток эмиттера . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «-» . Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, т. е. втягивает электроны область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбина­ции каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E₁ такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока . Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

(4.2)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно составляет проценты тока эмиттера, т. е. и, следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера. т. е. можно считать . Именно для того, чтобы ток был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число элек­тронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе почти нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обеденные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный пере­мещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, кото­рые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая реком­бинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллектор­ного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соот­ветственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектирован­ных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллектор­ного перехода, т. е. ток коллектора .

Данное одному из электродов транзистора название «эмиттер» подчеркивает, что происходит инжекция электронов из эмиттера в базу. Применение термина «инжекция» необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электрон­ной эмиссии, в результате которой получаются свободные электроны в вакууме или разреженном газе.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область тран­зистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Кол­лектором называют область, назначением которой является экстракция носи­телей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный пе­реход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо боль­ше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют сим­метричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового токов:

(4.3)

Важным свойством транзистора является приблизительно линейная зависи­мость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются приблизи­тельно пропорционально друг Другу. Пусть, для примера, =10мА, = 9,5 мА, = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА. то остальные токи возрастут также на 20%: = 0,5 + 0.1 = 0,6 мА и = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т.е. 12 мА=11,4 мА + 0,6 мА. А для приращения токов справедливо равен­ство (4.3), т. е. 2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п-р-п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р-п-р но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений и направления токов (рис. 4-2,б). В транзисторе типа р-п-р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки. Они яв­ляются для базы неосновными носителями. С увели­чением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора. Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая показана на рис. 4-2 для тран­зистора типа n-р-n.

Рис. 4-2. Потенциальная диаграмма транзистора

Эту диаграмму удобно использовать для создания механи­ческой модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение , тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность по­тенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогич­ные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем уско­ренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах при­ходится учитывать еще ряд явлений.

Существенное влияние на работу транзисторов оказывает сопротивление базы , т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы . Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллек­тор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока , ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы (его называют попе­речным) достигает сотен Ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение , между выводами базы и эмиттера, так как часть подво­димого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4-3. На этой схеме — сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение у маломощных транзисторов достигает десятков Ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов больше и соответственно меньше. При­ближенно определяется формулой (в Омах)

(4.4)

где ток , выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоОм. В него вхо­дит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис. 4-3 является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. Тем не менее эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

Рис. 4-3. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, являющееся главным образом результа­том ударной ионизации. Это явление и туннельный, эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой про­бой перехода.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопро­вождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор - база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накоп­ление неосновных носителей заряда в базе. т. е. увеличение концентрации и сум­марного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием носителей заряда в базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзи­стора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управ­ляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток_, который можно назвать управляемым коллекторным током так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

(4.5)

где - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора: он может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе к 1. Через коллекторный переход, всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток (рис. 4-4), называемый начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

(4.6)

Во многих случаях , и можно считать, что . Если надо изме­рить то это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при ток .

Преобразуем выражение (4.6) так, чтобы выразить за­висимость тока от тока базы Заменим , суммой :

Рис. 3-4. Токи в транзисторе

Решим уравнение относительно .Тогда получим

Обозначим

и

и напишем окончательное выражение

(4.7)

Здесь является коэффициентом передачи тока базы и составляет десятки единиц. Например, если = 0,95, то

а если коэффициент = 0,99, т. е. увеличился на 0,04, то

т. е. увеличивается в 5 с лишним раз!

Таким образом, незначительные изменения приводят к большим изме­нениям . Коэффициент так же, как и , относится к важным параметрам транзистора. Если известен то можно всегда определить по формуле

(4.8)

Ток называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если , т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при получаем . Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора .Ток , и, зная, что , нетрудно найти . А так как , то

(4.9)

Значительный ток объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напря­жения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения , ток резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что если , не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (если в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения , действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток , и равный ему ток , на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разры­вать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сна­чала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток , то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разрыве провода базы.

16

Похожие работы

Математическое моделирование биполярных транзисторов типа p-n-p

Скачать

21943

0

0

... САПРа затраты машинного времени на определение нелинейных функций, описывающих различные полупроводниковые приборы составляют значительную часть общих затрат времени. 1.    Проблема математического моделирования биполярных транзисторов Под моделированием понимается описание электрических свойств полупроводникового устройства или группы таких устройств, связанных между собой, с помощью ...

Идентификация параметров математических моделей биполярных транзисторов КТ209Л, КТ342Б и полевого транзистора КП305Е

Скачать

40899

6

39

... к модификации межэлектродных ёмкостей, а также режим работы транзистора – режимы большого или малого тока коллектора (проявление эффекта Кирка). Необходимо и достаточно параметры математической модели биполярных транзисторов описываются 8-ю характеристиками: Зависимостью напряжения на переходе эмиттер-база Uбэ в режиме насыщения от тока коллектора (желательно иметь диапазон изменения тока ...

Определение параметров модели биполярного транзистора в программе OrCAD 9.2

Скачать

47493

1

33

... параметров модели транзистора, зависимости этих параметров от температуры и конструкции, рассмотрены методы экстракции параметров модели из экспериментальных характеристик. Анализ PSpice модели БТ показал, что наряду с достоинствами этой модели есть и существенные недостатки. В целом модель биполярного транзистора в PSpice может с высокой точностью и в широком диапазоне напряжений, токов и ...

Модель биполярного транзистора

Скачать

16842

23

4

... генератора тока базы в прямом (23) в инверсном (24) включениях; - проводимость GC – проводимость генератора тока коллектора в прямом и инверсных включениях (25) Шумовая модель биполярного транзистора При анализе частотных зависимостей передаточных характеристик в рамках анализа по переменному току линейных (усилительных) ИС может проводиться и анализ шумовых ...