Курсовая работа: Біполярні транзистори

Мал.3 Схема включення n–p–n транзистора без навантаження

Полярність їх така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному – зворотне. Тому опір емітерного переходу малий і для здобуття нормального струму в цьому переході досить напруги Е1у десяті долі вольта. Опір колекторного переходу великий, і напруга E2 зазвичай складає одиниці або десятки вольт. З схеми на мал. 3 видно, що напруги між електродами транзистора зв'язані простою залежністю

.

При роботі транзистора в активному режимі зазвичай завждиUб-э<<Uк-бі, отже, Uк-э»Uк-б.

Вольт-амперна характеристика емітерного переходу являє собою характеристику напівпровідникового діоду при прямому струмі, а вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна до характеристики діода при зворотному струмі.

Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряма напруга емітерного переходу, тобто ділянки база – емітер (Uб-э), істотно впливає на струми емітера і колектора. Чим більше ця напруга, тим більше струми емітера і колектора. При цьому зміни струму колектора лише незначно менше змін струму емітера. Таким чином, напруга Uб-э, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Посилення електричних коливань за допомогою транзистора засноване саме на цьому явищі.

Фізичні процеси в транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги Uб-е знижується потенційний бар'єр в емітерному переході і відповідно зростає струм через цей перехід – струм емітера iе.Електрони цього струму інжектуються з емітера в базу і завдяки дифузії проникають крізь базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора.Оскільки колекторний перехід працює при зворотній напрузі, то в цьому переході виникають об'ємні заряди, показані на малюнку колами із знаками «+» і «–». Між ними виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, що перейшли з емітера, тобто втягують електрони в область колекторного переходу.

Якщо товщина бази досить мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигають рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. В результаті рекомбінації виникає струм бази.У сталому режимі число дірок в базі має бути незмінним. Унаслідок рекомбінації кожну секунду деяка кількись дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази вирушає у напрямі до плюса джерела E1 таке ж число електронів. Інакше кажучи, в базі не може накопичуватися багато електронів.Якщо деяке число інжектованих в базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбінуючи з дірками, то таке саме число електронів повинне вирушати з бази у вигляді струму iб. Оскільки струм колектора виходить менше струму емітера, то відповідно до першого закону Кирхгофа завжди існує наступне співвідношення між струмами:

Струм бази є даремним і навіть шкідливим. Бажано, аби він був якомога менше. Зазвичай iб складає малу долю (відсотки) струму емітера, тобто, а отже, струм колектора лише незначно менше струму емітера і можна вважати. Саме для того, щоб струм iб був якомога менше, базу роблять дуже тонкою і зменшують в ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менше число електронів рекомбінуватиме в базі з дірками.

Якби база мала значну товщину і концентрація дірок в ній була великою, то велика частина електронів емітерного струму, дифундуючи через базу, рекомбінувала б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.

Коли до емітерного переходу напруга не прикладена, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. В цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, оскільки основні носії зарядів віддаляються від цього переходу і по обоє сторони від кордону створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з p-області і дірок з n–області.

Важлива властивість транзистора – приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струми транзистора змінюються майже пропорційно один одному.

Подібні ж процеси відбуваються в транзисторі типа p–n–p, але в нього міняються ролями електрони і дірки, а також змінюються полярності напруги і напряму струмів(мал. 3). У транзисторі типа p–n–p з емітера в базу інжектуются не електрони, а дірки, які є для бази неосновними носіями. Із збільшенням струму емітера більше таких дірок проникає через базу до колекторного переходу. Це викликає зменшення його опору і зростання струму колектора.

Роботу транзистора можна наочно представити за допомогою потенційної діаграми, яка приведена на мал. 4 для транзистора типу n–p–n. Потенціал емітера прийнятий за нульовий. У емітерному переході є невеликий потенційний бар'єр. Чим більше напруга Uб-э,, тим нижче цей бар'єр. Колекторний перехід має значну різницю потенціалів, прискорюючу електрони.

Мал.4 Потенційна діаграма роботи n–p–n транзисторa

Окрім розглянутих основних фізичних процесів в транзисторах доводиться враховувати ще ряд явищ.

Істотно впливає на роботу транзисторів опір бази rб0, тобто опір, який база надає струму бази iб (нуль в індексі тут означає, що дана величина відноситься до постійного струму). Цей струм протікає до виведення бази в напрямі, перпендикулярному напряму еміттер–коллектор. Оскільки база дуже тонка, то в напрямі від емітера до колектора, тобто для струму iк її опір дуже малий і не береться до уваги. А у напрямі до виведення бази опір бази rб0 (його називають поперечним) досягає сотень ом, оскільки в цьому напрямі база аналогічна дуже тонкому провідникові. Напруга на емітерному переході завжди менша, ніж напруга Uб‑э між виводами бази і емітера, оскільки частина напруги, що підводиться, втрачається на опорі бази. З врахуванням опору rби 0 можна змалювати еквівалентну схему транзистора для постійного струму (мал. 5).

Мал. 5 Еквівалентна схема транзистора для постійного струму

На мал. 5, rэ0 – опір емітера, в який входять опір емітерного переходу і емітерної області. Значення rэ0в малопотужних транзисторів досягає десятків ом, оскільки напруга на емітерному переході не перевищує десятих доль вольта, а струм емітера в таких транзисторах складає одиниці міліампер. В потужніших транзисторів більше і iэ0 відповідно менше. Опір rб0 визначається формулою (у омах) ду струм iэ виражається в міліамперах.

Опір колектора rко є практично опором колекторного переходу і складає одиниці і десятки кілоом. У нього входить також опір колекторної області, але воно порівняльно мало і їм можна нехтувати.

Розглянута еквівалентна схема є наближеною, оскільки насправді емітер, база і колектор мають між собою контакт не в одній точці, а в безлічі точок за всією площею переходів. Проте, ця схема може застосовуватися для розгляду багатьох процесів в транзисторі.

При підвищенні напруги на колекторному переході в нім відбувається лавинне розмноження носіїв заряду, через ударну іонізацію. Це явище і тунельний ефект здатні викликати електричний пробій, який при зростанні струму може перейти в тепловий пробій переходу. Електричний і тепловий пробій колекторного переходу в транзисторі відбувається в основному так само, як і в діоді. Але в транзисторі при надмірному колекторному струмі може виникати тепловий пробій без попереднього електричного пробою, тобто без підвищення напруги на колекторному переході до пробивного. Це явище, пов'язане з перегрівом колекторного переходу називається вторинним пробоєм.

Зміна напруги на колекторному і емітерному переходах супроводиться зміною товщини цих переходів. В результаті змінюється товщина бази. Таке явище називають модуляцією товщини бази. Його особливо треба враховувати при підвищенні напруги коллектор–база, оскільки тоді товщина колекторного переходу зростає, а товщина бази зменшується.

При дуже тонкій базі може статися ефект зімкнення («прокол» бази) – з'єднання колекторного переходу з емітерним. В цьому випадку область бази зникає і транзистор перестає нормально працювати.

При збільшенні інжекції носіїв з емітера в базу відбувається накопичення неосновних носіїв заряду в базі, тобто збільшення концентрації і сумарного заряду цих носіїв. І навпаки, при зменшенні інжекції відбувається зменшення концентрації і сумарного заряду неосновних носіїв в базі. Цей процес називають розсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі.

Розглянемо співвідношення між струмами в транзисторі. Струм емітера управляється напругою на емітерному переході, але до колектора доходить декілька менший струм, який можна назвати керованим колекторним струмом iк. упр.. Частина інжектованих з емітера в базу носіїв рекомбінує, тому де a–коеффіциент передачі струму емітера, що є основним параметром транзистора. При нормальних струмах він може мати значення від 0,950 до 0,998. Чим слабкіше рекомбінація інжектованих носіїв в базі, тим ближче а до 1.