Механизм возникновения токов в транзисторе

Рассмотрим работу биполярного транзистора в активном режиме. Под влиянием напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается и начинается диффузия дырок из эмиттера в область базы, а электронов из базы в область эмиттера, то есть через переход начинает протекать ток. Источник питания к коллекторному переходу подключается в обратном направлении и коллекторный переход смещен в обратном направлении. При этом создается ускоряющее электрическое поле для дырок, достигающих коллекторного перехода. В случае транзистора, как показано на рис. 4.14, из эмиттера будет инжектироваться большое количество дырок в базу, которые создают ток эмиттера. В результате инжекции дырок из эмиттера в базу их концентрация на границе эмиттерного перехода становится больше, чем в остальном объеме базы. Вследствие этого начинается их движение в область базы к границе коллекторного перехода. Будучи в базе неосновными носителями, дырки будут перемещаться в области базы за счет диффузии, рекомбинируя с электронами базы. Рекомбинация дырок в базе вызывает соответствующий приток электронов из внешней цепи источника питания в область базы для восполнения электронов, рекомбинировавших с дырками, который создает ток базы. Так как база тонкая, то большинство дырок не успевает рекомбинировать с электронами и достигает коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода поток дырок попадает под действие ускоряющего электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода, что вызывает быстрый дрейф дырок через коллекторный переход в область коллектора, где они становятся основными носителями заряда и легко доходят до коллекторного вывода. В месте контакта коллектора и вывода источника питания дырки рекомбинируют со свободными электронами и создают ток во внешней цепи. Часть дырок успевает рекомбинировать в области базы, поэтому не все дырки инжектируемые эмиттером, доходят до коллекторного перехода. Вследствие этого коллекторный ток всегда меньше тока на величину тока базы .

Движение носителей тока в транзисторе приводит к появлению токов во внешней цепи. Ток коллектора течет по цепи: плюс источника — источник — эмиттер — база — коллектор — минус источника. Ток базы Течет по цепи: плюс источника — эмиттер — база — минус источника. Для уменьшения вероятности рекомбинации дырок в области базы, толщину базы делают немного меньше диффузионной длины пробега дырок. Для обеспечения односторонней инжекции, то есть максимального перехода дырок из эмиттера в область базы при минимальном переходе электронов из базы в эмиттер, концентрация дырок в эмиттере должна быть примерно в 100 раз больше концентрации электронов в базе. При этом эмиттер обладает меньшим удельным сопротивлением, чем база.

Токи в транзисторе связаны следующим соотношением:

Доля носителей зарядов, инжектированных эмиттером в базу и достигших вследствие диффузии коллектора, оценивается статическим коэффициентом передачи эмиттерного тока:

.

Величина которого для современных транзисторов составляет примерно .

Другим параметром транзистора является статический коэффициент передачи базового тока:

Связь между и дает следующее выражение:

Поскольку, то .

В транзисторе к составляющей коллекторного тока, обусловленной потоком инжектируемых эмиттером дырок, прибавляется составляющая обратного (теплового) тока коллекторного перехода .

При выяснении механизма протекания токов в транзисторе типа необходимо поменять полярности источников питания, подключаемых к эмиттеру и коллектору. При этом эмиттер будет инжектировать электроны.

На основе биполярных транзисторов создают усилители электрических сигналов. Сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, намного больше сопротивления эмиттерного перехода. Для получения максимальной мощности в нагрузке необходимо согласовать сопротивление коллекторной нагрузки с выходным сопротивлением транзистора. Для этого сопротивление в цепи коллектора должно быть достаточно большим (в реальных схемах усилителей единицы килоом). При этом напряжение источника коллекторной батареи должно составлять единицы-десятки вольт. Если в цепь эмиттерного перехода включить источник переменного управляющего напряжения (источник сигнала), то через транзистор наряду с постоянными токами начнут протекать переменные составляющие токов базы ~, эмиттера ~ и коллектора ~, изменяющиеся по закону изменения управляющего напряжения. При этом мощность во входной цепи, затрачиваемая на управление эмиттерным переходом, будет равна:

~*~.

Мощность переменного тока на выходе в коллекторной цепи будет равна:

~*~.

Переменное напряжение на выходе в коллекторной цепи будет составлять при этом единицы вольт. А для эффективного управления эмиттерным переходом достаточны уровни управляющего напряжения равные нескольким значениям температурного потенциала. Кроме того, переменный ток коллектора в раз больше переменного тока базы. Таким образом, мощность переменного сигнала на выходе в коллекторной цепи значительно (в сотни — тысячи раз) превосходит мощность управляющего источника сигнала в цепи эмиттер-база. Усиление управляющего сигнала сводится к преобразованию постоянного тока источника коллекторной батареи в переменный ток, изменяющийся по закону напряжения, управляющего эмиттерным переходом.