Будова та основні види біполярних транзисторів

Принцип роботи біполярного транзистора пояснюється схемою рис. 2

Рис. 2. До пояснення принципу роботи транзистора

Із рисунку видно, що транзистор представляє собою по суті 2-а напівпровідникових діоди, які мають спільну область-базу. Між р і n-областями виникають p-n переходи. Перехід між емітером (Е) і базою(Б) називається емітерним (ЕП), а перехід між колектором (К) і базою називається колекторним (КП). Як показано на рис.2 емітерний перехід під’єднаний до джерела е.р.с Е1 в прямому напрямку, а колекторний перехід – до джерела е.р.с Е2 в зворотньому напрямку. Зазвичай |E2| |E1|.Розглянемо три випадки положення вимикачів SA1, SA2, SA3. При замиканні вимикачів SA1, SA2 (SA3 – розімкнутий) ЕП відкритий і з емітера здійснюється інжекція електронів в базу. Одночасно дірки бази будуть проходити в бласть емітера. Через емітерний перехід буде протікати струм по колу: +E2, SA1, SA2, mA2, база, емітер, mA1, -E1.

Якщо вимикач SA1 розімкнути, а вимикач SA2, SA3 замкнути, то в колекторному колі протікатиме незначний струм, викликаний впорядкованим рухом неосновних носіїв-електронів бази і дірок колектора. Коло струму: + E1, mA3, колектор, база, mA2,SA2, SA3, - E2.

При замиканні всіх трьох ключів SA1, SA2, SA3 потенціальний бар’єр ЕП зменшується, а КП – збільшується.

Струм, що проходить через ЕП, отримав назву емітерного струму (IE). Цей струм рівний сумі електронної і діркової складових:

IE=IEn+IEp (1)

В транзисторах, концентрація носіїв заряду в базі значно менша ніж в емітері. Це приводить до того, що число електронів, інжектованих з емітера в базу в багато разів перевищує число дірок, які рухаються в протилежному напрямку. Відповідно майже весь струм через емітерний p-n перехід обумовлений електронами. Ефективність емітера оцінюється коефіціентом інжекції , який для транзисторів типу n-p-n дорівнює відношенню електронної складової емітерного струму до загального струму емітера:

(2)

В сучасних транзисторах коефіціент мало відрізняється від одиниці

( = 0,999).

Внаслідок процесу інжекції з емітора в базу поступає великий потік електронів, а тому біля емітерного переходу накопичується велика кількість електронів, біля колекторного переходу їх майже немає. Так формується великий градієнт концентрації неосновних носіїв у базовій ділянці. В базі створюється дифузійний потік електронів від ЕП , де їх надлишок, до КП і далі в колектор. Електричне поле об’ємного заряду колекторного переходу сприяє переміщенню (екстракції) електронів через цей перехід і вони потрапляють у прискорювальне поле зовнішнього джерела е.р.с. Е2, створюючи струм колектора. Коло колекторного струму: +E2, mA2, колектор, база,mA2, SA2, SA2, SA3, -E2.

Майже всі електрони, що інжектували в базу, досягають колектора. Це стає можливим тільки за умови досить малої товщини бази та невеликої концентрації дірок у ній. Лише незначна частина електронів рекомбінує в базі з дірками, що викликає струм у базі IБ. Цей струм є небажаним і навіть шкідливим.

Приймаючи до уваги степінь рекомбінації електронів з дірками в області бази, можна приймати струм колектора IК приблизно рівним струму емітера:

I_К I_Е (3)

Ті електрони, які рекомбінують в області бази з дірками, приймають участь в створенні струму бази IБ, який протікає у колі: + E1, SA1, SA2, mA2, база, емітер, mA1, -E1. Значить струм бази дорівнює різниці струмів емітера і колектора:

I_Б=I_E - I_К (4)

Згідно з першим законом Кірхгофа між струмами електродів біполярного транзистора завжди справедливе співвідношення:

I_Е= I_Б +I_К (5)

Струм емітера, що вимірюється міліамперметром mA1, дорівнює сумі струмів бази і колектора, які вимірюються відповідно приладами mA2 і mA3.

Необхідно звернути увагу на те, що, хоча електрони і дірки рухаються в протилежних напрямках, струми у колах транзистора проходять в одному напрямі, який співпадає з напрямом руху носіїв заряду позитивної полярності–дірок.

Для оцінки впливу рекомбінації носіїв заряду в базі на підсилювальні властивості транзистора використовується коефіціент переносу носіїв в базі, який показує, яка частина інжектованих емітером електронів досягне колекторного переходу.

Цей коефіцієнт визначається за формулою:

(6)

Коефіціент переносу тим ближче до одиниці, чим менша товщина бази і концентрація дірок в базі по відношенню до концентрації електронів в емітері.

Одним із основних параметрів транзистора являється коефіцієнтпередачі струму емітера, який дорівнює відношенню приросту струму емітера при постійній напрузі на колекторному переході:

(7)

Цей коефіцієнт може бути виражений через величини і наступним співвідношенням:

(8)

Таким чином, в електричному колі колектора формується струм колектора Iк, значення якого пропорційне емітерному струмові I_Е:

I_к= I_Е (9)

Якщо база досить тонка, втрата електронів унаслідок рекомбінації їх у базі мала, коефіцієнт передачі струму

В електричному колі колектора також проходить власний зворотній струм колекторного переходу IкБ0 (некерований зворотній струм колектора), який має невелике значення(одиниці мікроамперів). Індекс “К” вказує на те,що це власний зворотній струм колекторного переходу, індекс “Б” – що транзистор вмикається за схемою СБ, індекс “0” – що струм вимірюється у разі розімкненого кола емітера ( обриву).

Повний струм колектора:

Ік= IЕ+IкБ0 (10)

Перетворимо вираз (10) так, щоби виразити залежність струму Ік від струму бази ІБ. Замінемо IЕ сумою IК + IБ :

Ік= (Ік+ІБ)+IкБ0

Розв’яжемо це рівняння відносно Ік. Тоді отримаємо:

І_к І_Б

Позначимо

і =

Кінцевим виразом є:

Ік= ІБ + ІкЕ0 (11)

Коефіцієнт являється коефіцієнтом передачі струму бази.

Його значення складає десятки одиниць ( )

Наприклад, якщо

19 ,

а якщо =0,99, тобто збільшився на 0,04 , то

99 ,

то збільшився в 5 з лишнім разів

Таким чином, незначні зміни приводять до великих змін .

Якщо відомо , то можна завжди визначити за формулою:

(12)

Струм ІкЕ0 називають початковим наскрізним струмом емітера.

Він проходить через весь транзистор (через три його області і через обидва p-n переходи) у тому випадку, якщоIБ=0, тобто, якщо розірване електричне коло бази. Цей струм досягає значень десятків і сотень мікроамперів і значно перевищує зворотній струм колектора IкБ0.Струм = /(1-α), і знаючи, що α/(1- α)=β,

знаходимо =( β+1) . А так як , то

(13)