22. Принцип действия транзистора в активном режиме

Физические процессы в транзисторной структуре определяются состоянием эмиттерного и коллекторного переходов. При этом все положения, рассмотренные для единичного p-n перехода, справедливы для каждого из p-n переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый p-n переход, и результирующие токи равны нулю.

В активном нормальном режиме при подключении к электродам транзистора напряжений Е_эб и Е_кб, как показано на рисунке 5.3, эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Рисунок 5.3

В результате снижения потенциального барьера электроны из области эмиттера диффундируют через эмиттерный переход в область базы (инжекция электронов) а дырки – из базы в область эмиттера. Однако, поскольку удельное сопротивление базы высокое, электронный поток носителей заряда преобладает над дырочным, то есть в базе повышается концентрация электронов. Для количественной оценки составляющих полного тока ЭП используется коэффициент инжекции или эффективность эмиттера

где I_эр и I_эn – дырочная и электронная составляющие тока эмиттерного перехода; I_э – полный ток перехода.

Коллекторный переход смещен в обратном направлении, за счет этого усиливается экстракция электронов из базы в коллектор, то есть в базе на границе с коллектором уменьшается концентрация электронов.

Вбазе создается градиент концентраций электронов, потому электроны диффундируют от ЭП к КП.

Так как ширина базы во много раз меньше диффузионной длины, то большинство электронов, инжектированных в базу, не успевают рекомбинировать в ней с дырками. Рекомбинирует только небольшая часть электронов (примерно 1%) . Остальные 99% электронов идут к коллектору, попадают в ускоренное поле коллекторного перехода и втягиваются в коллектор (экстракция электронов). Для нейтральности базы из нее во внешнюю цепь по выводу уходит часть электронов, равная рекомбинировавшей, которая и создает ток базы.

Таким образом, ток эмиттерного перехода несколько больше тока коллекторного перехода. Относительное число неосновных носителей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора и образующих ,, характеризуется коэффициентом переноса

.

Для увеличения тока коллектора необходимо, чтобы время жизни электронов было много больше времени переноса в базе. Для этого нужно:

– уменьшить концентрацию примесей в базе, тогда уменьшится рекомбинационная составляющая тока эмиттера ;

– уменьшить толщину базы w;

– площадь коллекторного перехода должна быть много больше площади эмиттерного перехода S_кп >> S_эп.

В коллекторном переходе может возникнуть размножение носителей заряда из-за ударной ионизации, которое характеризуется коэффициентом размножения М.

,

где в зависимости от материала изготовления транзистора.

Общий коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора:

,

Для реальных структур .

Сопротивление эмиттерного перехода мало (сотни омов), а сопротивление коллекторного перехода составляет сотни килоом.

Допустим, в коллекторную цепь последовательно включено сопротивление нагрузки , оно не повлияет на режим работы транзистора, но на сопротивлении можно снять большое напряжение.

Включение в цепь эмиттера источника переменного сигнала Е_с вызывает изменение числа инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора в такт с Е_с. На нагрузке будет выделяться усиленное напряжение с частотой, равной частоте входного сигнала, но при этом напряжение выходного сигнала много больше входного Е_с. Таким вот образом происходит усиление сигнала.