Транзисторі при роботі в активному режимі.

 

Основні фізичні процеси в тому, що ідеалізується БТ зручно розглядати на прикладі схеми із загальною базою (рисунок 3.4), оскільки напруги на переходах співпадають з напругами джерел живлення. Вибір p-n-p транзистора пов'язаний з тим, що направлення руху инжектируемых з емітера носіїв (дірок) співпадає з напрямом струму.

У нормальному активному режимі (НАР) на емітерному переході діє пряма напруга UЭБ. Тому прямий струм переходу

(3.1)

де Iэ _р, Iэ n - інжекційні струми дірок (з емітера в базу) і електронів (з бази в емітер), а Iэ _річок - складова струму, викликана рекомбінацією в переході тих дірок і електронів, енергія яких недостатня для подолання потенційного бар'єру. Відносний внесок цієї складової в струм переходу Iэ в (3.1) тим помітніше, чим менші інжекційні складові Iэр і Iэn, що визначають прямий струм у разі р-n переходу, що ідеалізується. Якщо внесок Iэ _річок незначний, то замість (3.1) можна записати

. (3.2)

Корисним в сумі струмів виразу (3.1) є тільки струм Iэ _р, оскільки він братиме участь в створенні струму колекторного переходу. “Шкідливі” складові струму емітера Iэ n і Iэ _річок протікають через виведення бази і є складовими струму бази, а не колектора. Тому шкідливі компоненти Iэ n, Iэ _річок повинні бути зменшені.

Ефективність роботи емітерного переходу враховується коефіцієнтом інжекції емітера

(3.3)

який показує, яку частку в повному струмі емітера складає корисний компонент. У разі зневаги струмом Iэ _річок

. (3.4)

Коефіцієнт інжекції g_{Э "}тим вище (ближче до одиниці), чим менше відношення Iэ n/ В Iэ р. Величина Iэ n/ Iэ р << 1, якщо концентрація акцепторів в емітерній області p-n-p транзистора NАЭ на декілька порядків вище за концентрацію донорів NДБ в базі (NАЭ >> NДБ). Ця умова звичайно і виконується в транзисторах.

Яка ж доля дірок, инжектированных в базу з емітера, що визначають корисний струм IЭр? Очевидно, що инжектированные дірки підвищують концентрацію дірок в базі біля межі з емітерним переходом, тобто викликають появу градієнта концентрації дірок - неосновних носіїв бази. Цей градієнт обумовлює дифузійний рух дірок через базу до колекторного переходу. Очевидно, що цей рух повинен супроводжуватися рекомбінацією частини потоку дірок. Втрату дірок в базі можна врахувати введенням струму рекомбінації дірок IБ _річок, так що струм відповідних до колекторного переходу дірок

. (3.5)

Відносні втрати на рекомбінацію в базі враховують коефіцієнтом перенесення:

. (3.6)

Коефіцієнт перенесення показує, яка частина потоку дірок, инжектированных з емітера в базу, підходить до колекторного переходу. Значення Б тим ближче до одиниці, ніж менше число инжектированных дірок рекомбінує з електронами - основними носіями базової області. Струм IБ _річок одночасно характеризує однакову втрату кількості дірок і електронів. Оскільки спад електронів в базі унаслідок рекомбінації врешті-решт покривається за рахунок приходу електронів через виведення бази із зовнішнього ланцюга, то струм IБ _річок слід розглядати як складову струму бази разом з інжекційною складовою IЭ _n.

Щоб зменшити втрати на рекомбінацію, тобто збільшити Б, необхідно зменшити концентрацію електронів в базі і ширину базової області. Перше досягається зниженням концентрації донорів Nд _{Б. Это} співпадає з вимогою NАЭ/NДБ, необхідним для збільшення коефіцієнта інжекції. Втрати на рекомбінацію будуть тим менше, чим менше відношення ширини бази WБ і дифузійної довжини дірок в базовій області Lp Би. Доведено, що є наближене співвідношення

. (3.7)

Наприклад, при WБ/Lp Би = 0,1 БИ = 0,995, що дуже мало відрізняється від граничного значення, рівного одиниці.

Якщо при зворотній напрузі в колекторному переході немає лавинного розмноження тих, що проходять через нього носіїв, то струм за колекторним переходом з обліком (3.5)

(3.8)

З обліком (3.6) і (3.3) одержимо

(3.9)

де

. (3.10)

Це відношення діркової складової колекторного струму до повного струму емітера називає статичним коефіцієнтом передачі струму емітера.

Струм колектора має ще складову IКБО, яка протікає в ланцюзі колектор - база при IЭ = 0 (холостий хід, “обрив” ланцюга емітера), і не залежить від струму емітера. Це зворотний струм переходу, що створюється неосновними носіями областей бази і колектора, як в звичайному p-n переході (діоді).

Таким чином, повний струм колектора з обліком (3.8) і (3.10)

. (3.11)

З (3.11) одержимо звичайно використовуваний вираз для статичного коефіцієнта передачі струму:

(3.12)

чисельник якого (IК - IКБО) є керованою (залежну від струму емітера) частиною струму колектора, IКр. Звичайно робочі струми колектора IК значно більше IКБО, тому

. (3.13)

За допомогою малюнка 3.4 можна представити струм бази через компоненти:

. (3.14)

По першому закону Кирхгофа для загальної крапки

. (3.15)

Як випливає з попереднього розгляду, IК і IБ принципово менше струму IЭ; при цьому найменшим є струм бази

. (3.16)

Використовуючи (3.16) і (3.11), одержуємо зв'язок струму бази із струмом емітера

. (3.17)

Якщо в ланцюзі емітера немає струму (IЭ = 0, холостий хід), то IБ = -IКБО, тобто струм бази негативний і по величині рівний зворотному струму колекторного переходу. При значенні I*^Э = IКБО /(1-)a струм IБ = 0, а при подальшому збільшенні IЭ (IЭ_>I*^Э₎ струм бази виявляється позитивним.

Подібно (3.11) можна встановити зв'язок IК з IБ. Використовуючи (3.11) і (3.15), одержуємо

(3.18)

де

(3.19)

- статичний коефіцієнт передачі струму бази. Оскільки значення a звичайно близьке до одиниці, то b може бути дуже великим (b>>1). Наприклад, при = 0,99 b = 99. З (3.18) можна одержати співвідношення

. (3.20)

Очевидно, що коефіцієнт b є відношення керованої (змінної) частини колекторного струму (IК - IКБО) до керованої частини базового струму (IБ + IКБО).

Всі складові останнього виразу залежать від IЭ і звертаються в нуль при IЭ = 0. Ввівши позначення

(3.21)

можна замість (3.18) записати

. (3.22)

Звідси очевидний сенс введеного позначення IКЭО: це значення струму колектора при нульовому струмі бази (IБ = 0) або при “обриві” бази. При IБ = 0

IК = IЭ, тому струм IКЭО проходить через всі області транзистора і є “крізним” струмом, що і відображається індексами “К” і “Э” (індекс “О” указує на умову IБ = 0).