Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Физические процессы, протекающие в VT. Токи VT.
Рассмотрим, прежде всего, как работает VT, для примера типа p – n – p, в активном режиме, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е1 и Е2. Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – 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. 2.1 видно, что напряжения между электродами VT связаны простой зависимостью
Uкэ = Uкб + Uбэ (2.1) ВАХ эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе. А ВАХ коллекторного перехода подобна характеристике диоде при обратном токе. Принцип работы VT заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т.е. участка Б – Э (Uбэ), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменение тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение Uбэ, т.е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление эл. колебаний с помощью VT основано именно на этом явлении. Физические процессы в VT происходят следующим образом. Рассмотрение процессов, протекающих в VT, начнем со случая, когда подано напряжение только на коллекторный переход, а источник эмиттерного напряжения отключен с помощью ключа К (рис. 2.1, б). В этом случае эмиттерный переход находится в равновесном состоянии (Iдиф = Iдр), а в коллекторном переходе Iдиф = 0 и поэтому через переход и в цепи К будет протекать малый обратный ток Iкбо, равный дрейфовому (тепловому) току.
Рис.2.1 Токи в транзисторе при подключении источника: а - только коллекторного; б - только эмиттерного и при соединенииколлектора с базой; в - эмиттерного и коллекторного
Рассмотрим второй случай: коллекторное напряжение = 0 (коллектор соединен с базой), а на эмиттерный переход подано прямое напряжение (рис. 2.1, б). В данном случае потенциальный барьер в эмиттерном переходе понизится и через переход потечет значительный ток диффузии Iдиф = Iдифр + Iдифn. Встречным дрейфовым током можно пренебречь, т.к. он намного меньше тока диффузии. Дырочная и электронная составляющие тока диффузии неодинаковы: Iдифn << Iдифp, т.к. из – за низкой концентрации основных носителей заряда в базе градиент концентрации свободных электронов в направлении Б – Э намного меньше градиента концентрации дырок в направлении Э – Б.
Итак, ток эмиттера – это ток диффузии, состоящий из значительной дырочной составляющей и малой электронной составляющей: Iэ = Iэр + Iэn. Из – за ухода свободных электронов из базы в эмиттер в результате диффузии база зарядится положительно. Это значит, что потенциал базы станет выше потенциала соединенного с ней проводника. Под действием этой разности потенциалов из соединительного проводника в базу будут поступать электроны. Т.о., электронная составляющая Iэn тока эмиттера замыкается через базовый вывод и поэтому является одной из составляющих тока базы. Электронная составляющая тока эмиттера в рассматриваемом VT структуры p – n – p является бесполезной, т.к. она не участвует в создании управляемого тока коллектора. Чем меньше эта составляющая, тем выше эффективность эмиттера, оцениваемая коэффициентом инжекции:
γ = Iэр / (Iэр + Iэn) = Iэр / Iэ ≈ 1 – ρэ/ρб (2.2)
Обычно ρб на 2 – 3 порядка больше ρэ и значение γ близко к 1 (γ = 0,998..0,999).
Дырки, перешедшие в результате диффузии из эмиттера в базу (инжекция), продолжают диффундировать в базе в сторону коллектора, поскольку их концентрация вблизи коллектора меньше, чем около эмиттера. Так как толщина базы очень мала (10…25 мкм) и концентрация свободных электронов в ней низкая, то 95…99% перешедших из эмиттера дырок не успевают рекомбинировать в Б. Они достигают коллекторного перехода и как неосновные носители перебрасываются полем этого перехода в коллектор (экстракция), образуя управляемый ток коллектора Iк. Влияние рекомбинации дырок в базе на ток коллектора характеризуется коэффициентом переноса дырок через базу χ, равным отношению той части дырочной составляющей тока эмиттера, которая дошла до коллекторного перехода, к дырочной составляющей тока эмиттера, поступившей из эмиттера в базу χ=IКр/IЭр. Согласно теории транзисторов коэффициент переноса:
, где W - толщина базы, Lрб - диффузионная длина пробега дырок в базе. Коэффициент переноса имеет значения, близкие к 1. Произведение коэффициентов инжекции и переноса называется интегральным (статическим) коэффициентом передачи тока эмиттера: . Поскольку коэффициенты γ и χ меньше единицы, αu тоже меньше единицы (0,95…0,98). Дырки, успевшие рекомбинировать в Б, вносят в неё положительный заряд. Для компенсации этого заряда в базу из соединительного проводника поступит соответствующее число электронов. Таким образом, примерно 2…5% дырочной составляющей IЭр тока эмиттера замыкается через цепь базы, образуя вторую, рекомбинационную IЭрек составляющую тока базы. Итак, при наличии прямого напряжения на эмиттере и коллекторном напряжении, равном нулю, в цепи коллектора протекает ток, почти равный току эмиттера: . Если теперь, оставив включенным эмиттерный источник Е1, подать напряжение на коллектор (третий случай), то под действием коллекторного напряжения повысится потенциальный барьер в коллекторном переходе и ток диффузии в этом переходе станет равным нулю. В результате через коллекторный переход будет протекать еще малый обратный ток IКБ0 (рис. 3,в), как в первом случае. Таким образом, ток коллектора: . Ток IКБ0 является третьей составляющей тока базы. Причем эта составляющая направлена навстречу составляющим IЭп и IЭрек, т.е. вычитается из них: Выводы: 1. Под действием прямого напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, потенциальный барьер понижается и в базе диффундируются (инжектируются) дырки. 2. Инжектированные в Б дырки диффундируют в сторону коллекторного перехода. 3. Т.к. база очень тонкая и концентрация основных носителей заряда - свободных электронов - в ней низкая, почти все инжектированные в Б дырки достигают коллекторного перехода и перебрасываются полем этого перехода в коллектор, образуя управляемый ток коллектора. 4. Небольшая часть инжектированных дырок, успевшая рекомбинировать в Б, образует рекомбинационную составляющую тока эмиттера IЭрек, замыкающегося через цепь базы. 5. Через цепь базы замыкается также небольшая электронная составляющая тока эмиттера IЭп, образованная диффузией свободных электронов из базы в эмиттер, и обратный ток коллекторного перехода IКБ0. Последний направлен навстречу составляющим IЭп и IЭрек.
По рекомендованной 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 транзисторе, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный, т.к. мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая 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 (транзистор в этом случае называется симметричным), 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 токов коллектора и базы: . Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа p-n-p. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа n-p-n, но в нем меняются ролями дырки и электроны, а также изменяются полярности напряжений и направления токов. В транзисторе n-p-n типа из эмиттера в базу инжектируются не дырки, а электроны, которые являются для базы неосновными носителями заряда. С увеличением тока эмиттера больше таких электронов протекает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора. Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, приведенной на рис. 4 для транзистора типа n-p-n. Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение UбЭ, 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 ещё ряд явлений. Существенно влияет на работе транзисторов базы rбо, т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы iб (ноль в индексе здесь означает, что данная величина относится к постоянному току). 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 iк, ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы rбо (его называют поперечным) достигает сотен Ом, т.к. в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение Uбэ, между выводами базы и эмиттера, т.к. часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления rбо можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис.5. На этой схеме rэо - сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение rэо 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 мА. У более мощных транзисторов iэо больше и rэо соответственно меньше. Сопротивление rэо определяется формулой:
, [Ом], где iэ - ток эмиттера в мА. Сопротивление коллектора rко представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки кОм. В него входит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь. При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (из-за ударной ионизации). Это явление и тунельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробой коллекторного перехода в транзисторе происходит в основном так же, как и в диоде. Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Это явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения К-Б, т.к. тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) - соединение коллекторного перехода эмиттерным. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать. Обозначим: и - начальный сквозной ток, если Iб=0.
, где β - коэффициент передачи тока Б, он составляет несколько десятков.
При эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если включено питание в цепи коллектора. Надо также сначало включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот. Т.к. часть напряжения UКЭ, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток IЭ и равный ему ток IК, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение уменьшается, и за счёт этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к ещё большему возрастанию тока IЭ и.т.д.
|
||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-02-19; просмотров: 285; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.144.109.5 (0.021 с.) |