Биполярные транзисторы (стр. 2 из 4)

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.

Существенно влияет на работу транзисторов сопротивление базы rб0, 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 rб0 (его называют поперечным) достигает сотен ом, т.к. в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение Uб‑э между выводами базы и эмиттера, т.к. часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления rб0 можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

На рис. 5.5, rэ0 – сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение rэ0 у маломощных транзисторов достигает десятков ом, поскольку напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов больше и iэ0 соответственно меньше. Сопротивление rб0 определяется формулой (в омах)

где ток iэ выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора rко представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоом. В него входит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Рассмотренная эквивалентная схема является весьма приближенной, т.к. на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. Тем не менее, эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, из-за ударной ионизации. Это явление и туннельный 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. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, т.е. без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода называется вторичным пробоем.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор–база, т.к. тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается.

При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. И наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в базе. Этот процесс называют рассасыванием неосновных носителей заряда в базе.

Рассмотрим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током iк. упр.. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует, поэтому

где a–коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора. При нормальных токах он может иметь значения от 0,950 до 0,998. Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе а к 1.

Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный токiк0 (рис. 5.6). Этот ток называют еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

(5.1)

Рис. 5.6. Направления токов в транзисторе

Во многих случаях

и поэтому можно считать, что .

Преобразуем формулу (5.1)

Выразим:

Обозначим

и тогда

;(5.2)

здесь

– коэффициент передачи тока базы и составляет несколько десятков. Например, если a=0,95, а если a=0,99, то

Т. е. при увеличении a на 0,04, b увеличился в пять раз.

Выразим а через b:

Следует заметить, что коэффициент a не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах a уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера зменяется сравнительно мало.

Коэффициент b изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент a. При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент b максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.

Ток iк-э0 называют начальным сквозным током, т.к. он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n–p–перехода) в том случае, если iб=0, т.е. оборван провод базы. Из (5.2) при iб=0 получаем iк=iк-э0. Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора iк0.

или а т.к. , то

Сравнительно большой ток iк-э0 объясняется тем, что некоторая часть напряжения Uк-э, приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения Uк-э, ток iк-э0 резко возрастает и происходит электрический пробой.

3. Усиление с помощью транзистора

Рассмотрим схему усилительного каскада с транзистором n–p–n типа (рис. 5.7). Эта схема называется схемой с общим эмиттером (ОЭ), т.к. эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы.

Рис. 5.7. Схема включения транзистора с ОЭ

Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база – эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника E1, которое является прямым напряжением для эмиттерного перехода. Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника E2. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка Rн.

C1 – конденсатор большой емкости необходим для того, чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника E1. C2– необходимдля того, чтобы не было потери части выходного усиленного напряжения на внутреннем сопротивлении источника E2.

Рассмотрим эквивалентную схему коллекторной цепи (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Эквивалентная схема коллекторной цепи при включении транзистора с ОЭ

Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Напряжение источника E2 делится между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением транзистора r0, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода rк0 для постоянного тока. В действительности к сопротивлению rк0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n– и p–областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.