Принципи роботи та фізичні процеси в транзисторі

 

При відсутності зовнішньої напруги в кожному переході існує два струми, як і в звичайному діоді і напівпровідник залишається нейтральним.

Якщо підвести зовнішню напругу і емітерний перехід увімкнути в прямому напрямі, а колекторний у зворотному, то потенційний бар’єр емітерного переходу зменшиться, і буде відбуватися інжекція носіїв заряду із області емітера в область бази, а електрони – із області бази в область емітера.

В зв’язку з тим, що емітер сильно легований, то інжекція буде практично

 

 

Рисунок 21 Рух носіїв заряду в біполярному транзисторі

 

односторонньою. Із зовнішнього кола в базу будуть поступати електрони, створюючи зовнішній струм бази І_Б', він буде направлений із бази. На невелику кількість електронів, які прийшли із зовнішнього кола, для компенсації збиткового заряду буде поступати велика кількість носіїв із емітера, які в базі є неосновними. Якби ширина бази була набагато більша дифузійної довжини, то за час життя рівного приблизно (3-5)t в базі відбулася б рекомбінація носіїв заряду, які поступили з емітера, і через колекторний перехід проходив би тільки зворотній струм І_Кбо.

В нормально виготовленому транзисторі активна ширина бази набагато менша дифузійної довжини W<<0,2L_Д, а тому більшість неосновних носіїв, які поступили в базу із емітера, дійдуть до колекторного переходу, і оскільки вони є неосновними носіями, то вони будуть втягуватись електричним полем колекторного переходу, ширина якого збільшиться за рахунок зворотного ввімкнення, відбудеться екстракція носіїв заряду із бази в колектор, створюючи збитковий заряд. За рахунок зовнішнього джерела живлення в колектор буде поступати потік електронів для компенсації збиткового заряду, і через р - n - перехід буде проходити струм, який направлений в базу І_Б''. Якби в базі не відбувалася рекомбінація носіїв заряду, які інжектовані емітером, то обидва струми І_Б' і І_Б'' були б абсолютно однакові, і загальний струм бази був би рівний нулю. В зв’язку з тим, що невелика кількість носіїв заряду рекомбінує в базі, то загальний струм бази буде рівний різниці цих струмів, тобто

.

Робота транзистора по схемі з спільною базою характеризується коефіцієнтом передачі по струму a, який рівний відношенню струму колектора до струму емітера і завжди менший одиниці, тому що Іе = Іб + Ік.

Кожний із переходів характеризується своїми параметрами і струмами:

емітерний перехід характеризується коефіцієнтом інжекції

g<1 де

І_р – складова струму, створена дірками домішок

І_n – електронна складова

колекторний перехід характеризується коефіцієнтом екстракції – це відношення струму колектора до струму емітера, створеного основними носіями

c<1

Змінюючи напругу зовнішніх джерел живлення можна змінювати кількість носіїв заряду, а відповідно, струм емітера і колектора, що відображається на вольт-амперній характеристиці.

 

Схеми вмикання транзисторів

 

Транзистор як елемент схеми може бути ввімкнений трьома різними способами в залежності від того, який із електродів є спільним.

 

Схема з спільною базою

 

В схемі з спільною базою вхідною напругою і вхідним струмом являються напруга емітер-база U_ЕБ і струм емітера І_Е. Змінюючи вхідну напругу можна визначити струм емітера І_Е (кількість носіїв). Вихідною напругою і вихідним струмом буде напруга колектор – база U_КБ і струм колектора І_К. Загальний вихідний струм транзистора буде рівний

І_К=aІ_Е + І_КБо.

 

Ця схема має найменший вхідний опір, який визначається опором p-n-переходу, ввімкненого в прямому напрямі. Має дуже великий вихідний опір, який визначається опором зворотно ввімкненого p-n-переходу, а відповідно буде мати великий коефіцієнт підсилення по напрузі, коефіцієнт підсилення по струму відсутній (К_І<1), коефіцієнт підсилення по потужності: К_Р=К_U·К_І.

Рисунок 22 Схема ввімкнення транзистора з спільною базою

 

Якщо ввхідне коло ввімкнути малопотужний сигнал змінної напруги, то в транзисторі будуть відбуватися такі процеси. За рахунок градієнта постійної напруги носії заряду будуть розганятися, отримуючи додаткову енергію. Змінна складова завжди протилежно направлена постійній складовій, тому носії заряду будуть гальмуватися змінною складовою, віддаючи свою кінетичну енергію, отриману за рахунок постійної складової. Таким чином, буде відбуватися перетворення енергії постійного струму в енергію змінного струму, тобто підсилення змінної складової в коефіцієнт підсилення К раз.

 

Схема з спільним емітером

Вхідною напругою і струмом в схемі з спільним емітером являються напруга база-емітер і струм бази. Вихідною напругою і струмом являються напруга колектор-емітер і струм колектора. В цьому випадку схема характеризується коефіцієнтом підсилення по струму b. Схема має великий вхідний і вихідний опори великі коефіцієнти підсилення по струму, напрузі і потужності, тому вона є основною схемою ввімкнення транзистора.

Рисунок 23 Схема ввімкнення транзистора з спільним емітером

 

Між коефіцієнтами існує зв’язок, який можна знайти враховуючи, що струм емітера дорівнює сумі струмів бази та колектора І_е =І_к + І_б

 

Схема з спільним колектором

В схемі з спільним колектором вхідною напругою і струмом являються напруга база-колектор і струм бази. Вихідною напругою і струмом являються напруга емітер-колектор і струм емітера.

Рисунок 24 Схема ввімкнення транзистора з спільним колектором

 

Така схема має найбільший коефіцієнт підсилення по струму, рівний b+1. Коефіцієнт підсилення по напрузі менше одиниці, крім того, ця схема має найбільший вхідний опір і найменший вихідний, тому такі схеми застосовують для узгодження високого опору джерела вхідного сигналу і низьким опором навантаження (і в стабілізаторах напруги).