Принцип действия транзистора

 

Принцип действия транзисторов n–p–n и p–n–p типов одинаков, различие заключается лишь в полярности внешних напряжений и типа основных носителей, инжектированных в область базы (рис. 3.3).

Принцип действия транзистора принято рассматривать в активном режиме работы в схеме с общей базой рис. 3.3,б. Под действием внешнего напряжения эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а под действием коллекторный переход – в обратном.

При увеличении снижается потенциальный барьер эмиттерного перехода, и так как концентрация электронов в эмиттере значительно больше концентрации дырок в базе, то происходит инжекция электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Это вызывает протекание токов инжекции: – электронного и – дырочного. Так как число дырок в области базы значительно меньше количества электронов в области эмиттера, то .

Для количественной оценки составляющих полного тока эмиттерного перехода вводят параметр – коэффициент инжекции или эффективность эмиттерного перехода

, (3.1)

который показывает, какую долю от общего тока эмиттера составляет ток инжектированных в базу носителей заряда (в данном случае электронов). На практике коэффициент инжекции оказывается близким к единице g = 0,98…0,995. Дырки, инжектированные из области базы в область эмиттера, полностью рекомбинируют. В дальнейшем этот процесс не рассматривается, поскольку инжекция электронов из эмиттера в базу является доминирующей.

Электроны, инжекти-рованные в базу, создают в базе вблизи p–n перехода неравновесную концентрацию носителей, которая нарушает электронейтральность области базы. Для сохранения электронейтральности базы из внешней цепи от источника питания дырки через вывод базы устремляются к эмиттерному переходу, создавая ток . Таким образом входная цепь эмиттер–база оказывается замкнутой, во внешней цепи протекает входной ток, ток эмиттера . Часть подошедших дырок к эмиттерному переходу рекомбинирует с инжектированными электронами, а вследствие разности концентрации (в диффузионных транзисторах) и разности концентраций и наличия внутреннего электрического поля (в дрейфовых) электроны и дырки движутся вглубь базы к коллекторному переходу. Так как ширина базы значительно меньше диффузионной длины электронов, то большинство инжектированных электронов не успевает рекомбинировать. Электроны, подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в ускоряющее поле , экстрагируют (втягиваются) в коллектор, создавая ток коллектора , а подошедшие дырки отталкиваются полем коллекторного перехода и возвращаются к базовому выводу. Таким образом выходная цепь – коллектор–база оказывается замкнутой и в ней протекает ток .

Процесс переноса неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса

, (3.2)

величина которого зависит от ширины базы, диффузионной длины носителей и близка к единице e=0,988…0,995.

Экстракция электронов может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным умножением носителей заряда в коллекторном переходе. Процесс умножения носителей в коллекторном переходе оценивается коэффициентом лавинного умножения

. (3.3)

В связи с этим, ток коллектора, вызванный инжекцией основных носителей заряда через эмиттерный переход, равен

, (3.4)

где – статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Кроме управляемого тока коллектора, который зависит от количества носителей, инжектированных из эмиттера в базу и экстрагированных из базы в коллектор с учетом коэффициента лавинного размножения, протекает обратный неуправляемый ток .

Причина появления этого тока обусловлена дрейфом неосновных носителей базы и коллектора к обратносмещенному коллекторному переходу и их экстракцией через переход. Этот ток имеет такую же природу, как и обратный ток полупроводникового диода. Поэтому его называют обратным током коллекторного перехода.

Таким образом принцип действия транзистора основан на следующих физических процессах:

1. Инжекция носителей через прямосмещенный эмиттерный переход.

2. Рекомбинация и диффузионный перенос носителей через область базы от эмиттерного к коллекторному переходу.

3. Экстракция носителей через обратносмещенный коллекторный переход.

Токи в транзисторе

 

Согласно рис. 3.3 ток эмиттера имеет две составляющие: электронную и дырочную

. (3.5)

Обратный ток коллектора в цепи базы противоположен току рекомбинации

; . (3.6)

Ток коллектора имеет две составляющие: управляемый ток и обратный ток

. (3.7)

С учетом уравнений (3.5) – (3.7) получаем

. (3.8)

Это выражение устанавливает связь между токами транзистора. Оно справедливо для любой схемы включения и удовлетворяет первому закону Кирхгофа.

В активном режиме токи коллектора и эмиттера почти равны, а ток базы равен их разности. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе. Даже поля контактной разности потенциалов достаточно для экстракции всех электронов, достигших коллекторного перехода. Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода очень велико (переход включен в обратном направлении). В цепь коллектора можно включать нагрузку с достаточно большим сопротивлением , практически не изменяя ток коллектора (рис. 3.3,б). Дифференциальное сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода очень мало . При изменении входного (эмиттерного) тока на , практически на такую же величину возрастает коллекторный ток. Однако изменение потребляемой мощности в цепи эмиттера значительно меньше изменения мощности в выходной цепи , т.е. транзистор способен управлять большой мощностью в коллекторной цепи при небольших затратах мощности в эмиттерной цепи.