Основні процеси в транзисторі

Розглянемо процеси в дифузій­ному транзисторі із сплавними переходами, будову якого показано на рисунку 8.2.

Для спрощення припустимо, що в цьому транзисторі основні носії заряду рухаються лише вздовж головної осі від емітерного переходу до колекторного. Крім того, візьмемо до уваги, що пло­щі різних паралельних перерізів бази, напрямлених уздовж головної осі, однакові і розміри транзистора в напрямах, перпендику­лярних до головної осі, значно більші від товщини бази.

Явища інжекції і нагромадження неосновних носіїв заряду розглянемо на енергетичних діаграмах (рисунок 8.3). Якщо до перехо­дів не прикладена напруга, то між потоками дірок і електронів, які проникають у різні боки від переходів, існує термодинамічна рівновага. Оскільки переходи мають потенціальні бар'єри, то основні носії (дірки емітера і колектора, електрони бази) можуть перейти в суміжний шар лише при досить великій тепловій енер­гії. Неосновні носії електричним полем переходу вільно вики­даються в суміжний шар. Основні носії перебувають у «потен­ціальних ямах», а неосновні — на «потенціальних гребенях».

Якщо в замкненому колекторному переході подати нормальне пряме зміщення, то потенціальний бар'єр емітерного переходу знизиться і інжекція дірок з емітера в базу і електронів з бази в емітер збільшиться. Оскільки концентрація електронів у базі по­рівняно з концентрацією дірок, в емітері незначна, електронною складовою струму можна знехтувати. Інжектовані дірки проходять базу (за винятком тих, які встигли рекомбінувати) і, вільно дрей­фуючи в колекторному переході, входять у ділянку колектора. Електрична нейтральність колектора відновлюється зустрічним потоком електронів через колекторний вивід. Цей потік є основною компонентою (збірною складовою) струму в колі колектора. Цей струм за величиною близький до струму емітера, бо рекомбінація в базі невелика. Струм бази дорівнює різниці струмів емітера й ко­лектора і являє собою потік електронів, що компенсує втрату їх у базі внаслідок рекомбінації з дірками.

Якщо у вихідне коло ввімкнути резистор, то потужність, яка виділятиметься в ньому, буде дуже малою і не підсилюватиметься. Це пояснюється тим, що внаслідок спаду напруги на резисторі створюється позитивне зміщення на колекторі, при якому одночас­но із збиранням дірок, що дійшли від емі­тера, колектор інжектує дірки в базу. В ре­зультаті струм колектора порівняно з стру­мом емітера помітно зменшується.

У нормальному підсилювальному режимі на емітерний перехід подається позитивне, а на колекторний — велике негативне змі­щення, яке значно підвищує потенціальний бар'єр колекторного переходу. Щоб збільши­ти за цих умов вихідну потужність, у коло колектора можна ввімкнути резистор з вели­ким опором, не побоюючись, що це спричи­нить інжекцію дірок з колектора в базу.

Очевидно, що негативне зміщення на колекторному переході буде гарантоване, якщо Е_к + І_кR_к < 0. У такій схемі можна дістати значну вихідну потужність і підсилення потужності, бо І_е ≈ І_к, а напруга на опорі навантаження більша, ніж на емітерному переході.

Позитивний об'ємний заряд інжектованих у базу дірок притягає додатковий компенсуючий негативний об'ємний заряд електронів. Можна сказати, що одночасно з появою в ділянці бази деякої кіль­кості незрівноважених дірок у ній з'являється така сама кількість незрівноважених електронів, і база при цьому, як і раніше, зали­шається електрично нейтральною. Стаціонарний розподіл дірок у базі майже лінійний (рисунок 8.4).

Лінійному розподілові дірок у базі відповідає майже лінійний розподіл компенсуючих електронів ∆ п. Наявність градієнта кон­центрації надлишкових носіїв зумовлює їх дифузійний рух у базі в напрямі від емітерного переходу до колекторного. При вико­нанні умови W < L лише незначна частина дірок встигне рекомбінувати в базі.

Більшість дірок, досягаючи колекторного переходу, підхоплює­ться його полем і викидається в ділянку колектора. Оскільки швид­кість дрейфу зарядів у колекторному переході в багато разів вища від швидкості їх дифузійного поширення, то концентрація дірок у базі на межі колекторного переходу дорівнює нулю.

Внаслідок «розтікання» в різних напрямах електронів у базі біля емітерного переходу утворюється позитивний заряд. «Розтікання» електронів — це, з одного боку, їх дифузійний рух у базі від емітерного переходу і, з другого, — їх рух у зворотному напрямі — до емітерного переходу, зумовлений інжекцією електро­нів з бази в емітер. При цьому виникає максимум у розподілі електронів, а отже, і надлишок дірок, що утворюють позитивний об'ємний заряд. Дією електричного поля цього об'ємного заряду пояснюється наявність дрейфових складових струмів у базі.

Отже, в загальному випадку в базі проходять такі струми: дифузійний дірковий струм І _рд, зумовлений дифузійним рухом інжектованих дірок від емітера до колектора; дифузійний електрон­ний І_{п д}, спричинений потоком електронів, що йде за дифузійним рухом інжектованих у базу дірок і відновлює електричну нейтраль­ність бази; дрейфові, дірковий І _рЕ і електронний І_пЕ,струми, які виникають внаслідок створення в базі електричного поля.

Оскільки дрейфовий дірковий струм І_рЕ дуже малий (у базі р << п), а дифузійна і дрейфова складові електронного струму мають протилежні напрями, то результуючий струм, що проходить у базі (він же струм емітера І _е) переважно складається з І _рд

І _е= І _рд +І_{п Е} - І_{п д}

Товщина р-п переходу залежить від прикладеної до нього напру­ги. Оскільки до емітерного переходу прикладена пряма напруга, то товщина цього переходу і її зміна при зміні напруги також ма­лі. До колекторного переходу прикладена зворотна напруга, тому товщина переходу і її зміни при змінах напруги великі.

Через те, що колекторний перехід зосереджений у базі, яка є ділянкою вищого опору порівняно з іншими, приріст його ширини дорівнює зменшенню товщини бази. Ефект зміни товщини бази при зміні колекторної напруги називається модуляцією ширини бази (ефект Ерлі).

Внаслідок модуляції ширини бази змінюється кількість інжектованих дірок, що досягають колектора без рекомбінації. Чим мен­ша товщина бази, тим їх більше, а отже, більший струм колектора при незмінному струмі емітера. Завдяки модуляції ширини бази із зміною напруги, прикладеної до колекторного переходу, змінюєть­ся колекторний струм. При модуляції ширини бази змінюється заряд дірок у базі. Це означає, що колекторний перехід, крім зви­чайної бар'єрної ємності, має ще деяку дифузійну.

Із зміною ширини бази змінюється емітерна напруга при І _е = const або емітерний струм при U _е = const. Пояснюється це тим, що при зміні напруги колектора змінюється товщина бази і тепло­вий струм емітерного переходу І _е0, а разом з ним і весь струм емі­терного переходу.

Взаємозв'язком, який обумовлює зміну емітерної напруги або струму зміною колекторної напруги, є внутрішній зворотний зв'я­зок за напругою між колами колектора і емітера.

Хід роботи

Підключити транзистор до вимірюваль­ного приладу; отримати (задаючи струм бази) дані для побудови перехідних характеристик транзистора, заміряти коефіцієнт передачі за струмом h₂₁, оцінити точність отриманих результатів.

Скласти схему транзисторного ключа, підключити до блока жив­лення, зняти перехідні характеристики.

Зміст звіту

В звіті привести принципіальну електричну схему приладу для зняття характеристик транзистора, схему транзисто­рного ключа, розрахунки параметрів елементів схеми, протоколи спостережень, побудовані у вигляді графіків характеристики транзистора та електронного ключа.

ЛІТЕРАТУРА

1 Вершинин О.Е. Применение микропроцессоров для автоматизации технологических процессов. Л./ Энергоатомиздат, 1986. — 208с.

2 Королёв Г.В. Электронные устройства автоматики. — М.: Высш. Шк., 1991. — 256 с.

3 Микроэлектронные устройства автоматики / п. ред. А.А. Сазонова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 384 с.

4 Основы промышленной электроники. Руденко В.С. и др. К.: Вища шк., 1985.— 400 с.

5 Пішенін В.О., Коц І.В., Нікітіна Н.В. Електроніка і мікропроцесорна техніка. Частина І. Елементна база промислової електроніки. Навчальний посібник. — Вінниця: ВДТУ, 2001. — 67 с.

6 Пішенін В.О. Електроніка і мікропроцесорна техніка. Частина ІІ. Основи схемотехніки. Навчальний посібник. — Вінниця: ВНТУ, 2003. — 66 с.

7 Сосонкин В.Л. Микропроцессорные системы числового программного управления станками. — М.: Машиностроение, 1985. — 288 с.

8 Скаржепа В.А. и др. Электроника и микросхемотехника. Лабораторный практикум — К.: Выща шк., 1989 — 279 с.

9 Токхейм Р. Основы цифровой электроники. — М.: Мир, 1988. —392 с.

10 Электронные промышленные устройства / Васильев В.И. — М.: Высш. шк. 1991 — 303 с..

11 Яцына С.А. Импульсная техника и логические элементы ЭКВМ. Минск.: Вышейш. школа, 1993. — 302с.