Принцип действия биполярного транзистора (расширенный)

Физические процессы в биполярном транзисторе при усилении электрических сигналов рассмотрим на примере рис. 3.4. К транзистору подключают два источника ЭДС: – ЭДС источника входного сигнала, и – ЭДС источника питания (мощного источника). ЭДС подключается так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а ЭДС должна смещать коллекторный переход в обратном направлении. Тогда при отсутствии тока в цепи источника входного сигнала (во входной цепи транзистора) нет тока и в цепи источника питания (в выходной цепи). Строго говоря, в выходной цепи будет протекать очень маленький ток – обратный ток закрытого коллекторного перехода , но им ввиду его малости можно пренебречь. Если же во входной цепи транзистора создать под действием источника какой-то ток , то дырки, являющиеся основными носителями в р-области эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они становятся уже неосновными носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрического поля коллекторного перехода, будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены через границу раздела в область коллектора (область р-типа), где дырки уже являются основными носителями. Таким образом, в цепи источника питания появится ток – ток коллектора , который, протекая, по сопротивлению нагрузки , создает там падение напряжения:

,

(3.1)

которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяет все изменения входного сигнала.

Рис. 3.4. Движение носителей заряда и токи в биполярном транзисторе при активном режиме работы

Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу, достигают коллекторного перехода; часть из них рекомбинирует в базе по пути движения от эмиттерного перехода к коллекторному – ток . Поэтому ток коллектора принципиально меньше тока эмиттера.

Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:

.

(3.2)

Чтобы увеличить коэффициент передачи по току область базы делают тонкой, чтобы меньшее количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы. Таким образом, удается достичь величины коэффициента передачи по току и более.

Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет , все же коэффициент передачи по мощности может быть значительно больше единицы за счет большого усиления по напряжению. Ведь даже при малой величине коллекторного тока падение напряжения на сопротивлении нагрузки может быть значительным, за счет большой величины напряжения источника питания. Отметим, что в транзисторах n-p-n типа все описанные процессы протекают точно также, но полярность источников и должна быть противоположной, а из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны, и электроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи источника .

Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала в транзисторе происходит изменение ширины базового слоя , так как под действием внешних источников и толщина p-n-переходов изменяется, что в условиях малой ширины базового слоя происходит ее модуляция (данное явление получило название эффект Эрли). Это приводит к ряду особенностей:

1. Чем уже становится база, тем меньшее количество инжектированных носителей будет рекомбинировать в ней и, следовательно, большее количество их достигнет коллекторного перехода и будет участвовать в образовании тока коллектора . Это приведет к изменению коэффициента передачи по току.

2. Изменение тока при приводит к зависимости от , т. е. к изменению сопротивления коллекторного перехода.

3. Поскольку при этом меняется заряд носителей в базе, то это приводит к изменению емкости p-n-перехода.

4. Изменение ширины базового слоя приводит к изменению времени прохождения зарядами базовой области, т. е. к изменению частотных свойств транзистора.

5. Изменение ширины базы влияет на величину тока при неизменном значении .

Как крайнюю степень проявления модуляции ширины базы следует рассматривать явление, называемое проколом базы. Прокол базы наступает тогда, когда под действием большого значения ЭДС источника питания ширина коллекторного перехода возрастает настолько, что происходит его смыкание с эмиттерным переходом, что весьма вероятно в условиях малой толщины базовой области. При этом , а транзистор пробивается.