Принцип действия транзистора. Механизм усиления мощности

 

Ек >> Еэ

U_БЭ>0; U_КБ<0 – активный режим

Е_Э – включено в прямом направлении;

Е_К – включено в обратном направлении (запорном).

Вследствие малого значения потенциального барьера эмиттерного перехода происходит перемещение электронов из эмиттера в базу. Электроны, попав в базу, для которой они являются неосновными носителями, частично рекомбинируют с дырками базы. Поскольку область базы выполнена из p-полупроводника с малым содержанием акцепторных примесей, поэтому лишь немногие электроны, попавшие в базу рекомбинируют с её дырками. Большинство электронов (до99,8%) под действием диффузии успевают дойти до коллекторного перехода. Здесь электроны попадают в зону действия электрического поля, созданного контактной разностью потенциалов и внешним напряжением Е_К , приложенном к участку база-коллектор. Поэтому пришедшие в базу электроны (неосновные носители) поступают в коллектор, создавая ток коллектора. Таким образом, поток электронов, инжектируемых эмиттером, распределятся в транзисторе между базой и коллектором, в результате:

I_Э=I_К+I_Б

Очевидно, что I_К< I_Э, поэтому между током коллектора, который порождается током эмиттера может быть установлена взаимосвязь:

I_К=α I_Э,

где α – коэффициент передачи тока эмиттера.

Величина α зависит в основном от двух коэффициентов:

,

где γ – коэффициент инжекции носителей заряда;

– коэффициент переноса через базу инжектированных носителей.

,

где и - удельные сопротивления эмиттера и базы, соответственно. Поскольку , поэтому близко к 1.

(после разложения в ряд Тейлора и учета, что )

- толщина базы;

L – средняя диффузионная длина.

Для диффузионного транзистора выполняется соотношение:

, поэтому

, тогда

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неосновными носителями заряда, через коллекторный p-n переход, смещённый в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток коллектора (или иногда ).

Поэтому полный ток коллектора будет:

I_К=α I_Э+I_К0.

Зная, что , определим коэффициент передачи тока базы в коллектор (β).

.

Найдём соотношение между α и β. Из полученных ранее соотношений I_Б= I_Э- I_К, тогда

Учитывая, что , получим

.

Поскольку α близко к единице, β имеет значение от десятков до сотен единиц (10÷100)

Преобразуя выражение с учетом, что I_Э=I_К+I_Б получим:

;

;

;

Слагаемое обычно обозначают и называют начальным (сквозным) током коллектора.

Очевидно, что в десятки раз больше . Таким образом, зависимость тока коллектора от тока базы может быть определена:

.

Произведем оценку усиления мощности транзистором в рассмотренной схеме включения.

Будем считать, что переход БЭ является входом транзисторной схемы,а переход КБ – выходом.

В таком случае коэффициент усиления мощности (К_р) будет определяться:

Ток I_Э является входным током I_вх, а U_БЭ=Е_Э является входным напряжением.

Ток I_К является выходным током I_вых, а U_КБ=Е_К является выходным напряжением.

Переход БЭ включён в прямом направлении, а значит I_Э=f(U_БЭ) или I_вх=f(U_вх), поэтому Р_вх=Р_БЭ= I_Э·U_БЭ= I_вх·U_вх= I_Э· Е_Э, при этом U_БЭ=Е_Э мало (U_БЭ<1В).

Переход КБ включен в обратном направлении и Р_вых=Р_КБ= I_К·U_КБ= I_вых·U_вых= I_К·Е_К, при этом U_КБ=Е_К - может быть велико, вплоть до напряжения пробоя (U_КБ>>1).

Тогда .

Поскольку значение α близко к единице, а Е_К >>Е_Э, то

Поэтому будет значительно больше единицы, следовательно: