2. Принцип работы биполярного транзистора. Схема с общей базой

Самый главный вопрос, который содействовал созданию физики полупроводников это "каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?". Создателям транзистора пришлось изобрести теорию, объясняющую явление увеличения выходного тока транзистора PNP-структуры при поступлении на его базу тока в отрицательной полярности.

Ответить на этот вопрос без применения термодинамической теории было просто невозможно. Тогда были изобретены "дырки" - ток электронов в валентной зоне. Подвижность "дырок" научились измерять…

И было придумано много такого, благодаря чему сегодня мы должны создавать физику полупроводников с нуля.

Понятие запрещённой зоны помогает классифицировать

PN-переходы на широкозонные и узкозонные. Но сама идея зонной теории базируется на несуществующих уровнях Ферми, которые невозможно измерить. Возможно, что зонную теорию тоже необходимо пересмотреть.

Квантовая теория к физике полупроводников вообще никакого отношения не имеет.

Так, как квантовую теорию разрабатывали в начале прошлого века, когда неправильно была разработана термодинамика (без теории теплового заряда), то сегодня она тоже нуждается в пересмотре.

Итак, главный вопрос - "каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?" - должен изменить физику полупроводников.

Сначала изложим правила, по которым происходит энергообмен в PN-переходах. Правила:

1. Вход энергии в PN-переход. ( Эффект Зеебека )

1.1.Если в PN-переход поступает тепловая энергия в виде эстафетного тока электронов, то она преобразуется в ЭДС на

PN-переходе. При этом эстафетный ток преобразуется в инжекционный ток. Инжекционный ток имеет тепловую природу, поэтому не может быть вычислен по правилам Киргофа.

1.2.Если входящая энергия создала ЭДС, то эта ЭДС создаёт в

PN-переходе прямой ток, по величине этот ток определяется вольт-амперной характеристикой прямого тока соответствующего

PN-перехода.

2. Выход энергии из PN-перехода. ( Тепловой эффект Пельтье. )

2.1.Если через PN-переход пропускать прямой ток, то на PN-переходе создаётся разность потенциалов (ЭДС) согласно вольт-амперной характеристики прямого тока этого перехода. При этом, электроны, проходящие через PN-переход в прямом направлении выделяют тепловую энергию.

2.2.Если вблизи нет соседних PN-переходов (потенциальных барьеров), то энергия из PN-перехода выходит посредством эстафетных движений (токов) электронов - что соответствует тепловому току при теплопередаче.

Если поблизости от выделяющего тепловую энергию PN-перехода находится другой PN-переход, то он создаёт потенциальную яму - отбирает у эстафеты электрон для заполнения своего электрического барьера, тем самым превращает эстафетный ток в инжекционный. Инжекционный ток имеет тепловую природу и не подчиняется правилам Киргофа для электрической цепи. Инжекционный ток имеет направление в сторону потенциальной ямы - запертого PN-перехода.

3. Вход энергии в запертый PN-переход. (Холодильный эффект Пельтье.)

3.1.Энергия, входящая в запертый PN-переход способна реализовать электронное управление. При входе энергии в запертый PN-переход, сам PN-переход начинает работать сразу в 2-х режимах.

В нём создаётся ЭДС и протекает и прямой и обратный ток, согласно поступившей энергии. (Эффект Зеебека.)

Прямой и обратный токи в запертом переходе возникают из-за обратных связей - один из них является причиной другого.

Инжекционный ток несёт с собой тепловую энергию. Эта тепловая энергия поглощается в запертом PN-переходе и через переход совместно с прямым током протекает и обратный ток, равный по величине прямому току - это соответствует холодильному эффекту Пельтье. Величина ЭДС устанавливается согласно эмиссионному уравнению для прямого тока PN-перехода, и дополнительно она складывается с разностью потенциалов, создаваемой обратным током.

3.2.Кроме энергии электронного управления, запертый PN-переход перехватывает все возможные другие поступающие энергии. В эти энергии входят следующие:

- тепловой ток - световые волны.

- энергия тепла (локальное тепло относительно температуры окружающей среды).

- энергия тепла, возникающая при протекании электрического тока, при конвертировании энергии источника в тепло - это соответствует закону Джоуля-Ленца.

- энергия обратного напряжения. Величина обратного напряжения определяет выходную мощность, и тем самым определяет ответный разогрев запертого перехода. Этот разогрев создаёт тепловой ток, который и определяет положительную обратную связь (ПОС). ПОС в биполярном транзисторе обозначают как эффект Эрли.

Все эти энергии участвуют в процессе управления обратным током.

Рассмотрим работу транзистора как термодинамического электронного прибора в схеме с Общей Базой.

Работу рассмотрим поэтапно, исследуя во времени 4 момента. Такое рассмотрение удобно для понимания термодинамического принципа работы транзистора. На самом деле - в реальности - транзистор включается в работу мгновенно. Итак, 4 момента во времени.

Рис. 1. Момент времени 1.

Момент 1. Включение цепи. Токи ещё не начались. Здесь на рисунке 1., транзистор показан в виде 3-х областей NPN, Rвх - входное сопротивление, принадлежащее цепи входного сигнала, Rн - сопротивление нагрузки ( или сопротивление для измерения токов коллектора ), Eб - источник напряжения, представляющий из себя входной сигнал. Eк - батарея цепи коллектора. Полярности включения Eб и Eк отмечены знаками "+" и "-".

Рис. 2. Момент времени 2.

Момент 2. Через переход База-Эмиттер протекает входной ток. В переходе База-Эмиттер возникает выход тепловой энергии в виде эстафетного тока электронов - обозначен двунаправленными стрелками. Эстафетный ток электронов возникает в том случае, если есть градиент температуры и происходит процесс теплопередачи. В данном случае переход База-Эмиттер теплее холодной потенциальной ямы перехода Коллектор-База. Вольтметр В1, подключенный к переходу База-Эмиттер показывает разность потенциалов (ЭДС), согласно вольт-амперной характеристики прямого тока перехода. В PN-переходе База-Эмиттер протекает прямой ток, обозначенный стрелками.

Рис. 3. Момент времени 3.

Момент 3. Эстафетный ток достиг потенциальной ямы - перехода База-Коллектор. У перехода База-Коллектор есть скрытый электрический барьер, который отрывает электрон от эстафеты, заряжая тем самым переход. В результате постоянного отрыва последнего электрона (достигшего перехода База-Коллектор), эстафетный ток преобразуется в инжекционный, направленный от перехода База-Эмиттер в сторону перехода База-Коллектор. Инжекционный ток имеет тепловую природу.

Скрытый электрический барьер перехода База-Коллектор начинает заряжаться, в переходе База-Коллектор возникает ЭДС (измеряется вольтметром В2). Соответственно этой ЭДС, согласно эмиссионному уравнению перехода База-Коллектор, через переход База-Коллектор протекает прямой ток - на схеме обозначен стрелками.

Рис. 4. Момент времени 4.

Момент 4. Электроны инжекционного тока приносят в переход энергию. Через PN-переход База-Коллектор начинает протекать обратный ток, согласно холодильному эффекту Пельтье. Величина обратного тока зависит от полученной энергии от перехода База-Эмиттер. Поэтому ток коллектора Ik не превышает Ib. Тепловая энергия, забираемая от перехода База-Эмиттер определяется резистором R_D. R_D. - это добавочное сопротивление в цепи База-Эмиттер. Оно определяет отрицательную обратную связь.

Вольтметр В2 показывает уже не ЭДС в чистом виде, некую сумму этой ЭДС и разности потенциалов, создаваемой обратным током. ЭДС прямого тока перехода База-Коллектор существует, и ток коллектора Ik без неё был бы невозможен. Усилитель по схеме с общей базой работает!

Если к коллектору приложить высокое напряжение (порядка 100 Вольт для кремниевых транзисторов), то это напряжение не попадёт на вывод эмиттера, по той простой причине, что у инжекционного тока природа - тепловая. Электроны инжекционного тока движутся в сторону коллектора из-за явления теплопередачи! Высокое напряжение коллектора не может повернуть их назад, так, как контуры тока - входного и выходного - ( по правилу Киргофа для электрических цепей ) разорваны.

При изготовлении транзистора, переход База-Коллектор делается более чувствительным к энергии, а значит - более управляемым.

Если рассмотреть эмиссионное уравнение для вольт-амперной характеристики PN-перехода,

(19.33)

сразу заметна разница в значениях резистора R_D для перехода БЭ и перехода БК. Для транзистора КТ312В: величина R_D для перехода БЭ равна 1,06 Ом, величина R_D для перехода БК равна 0,4 Ом.

Переход БК более низкоомный, чем переход БЭ, и при одинаковых прямых токах переход БК менее нагревается, чем переход БЭ.

Параметр T_F эмиссионного уравнения - это температура холода - она показывает насколько холоднее зона P чем зона N при протекании тока. При этом, температура зоны N уравнивается с температурой окружающей среды.

Для перехода База-Коллектор параметр T_F немного выше, чем для перехода База-Эмиттер. Например, для транзистора КТ312В для перехода База-Эмиттер T_F = 608 Кельвин, для перехода База-Коллектор T_F = 626 Кельвин.

Точно также объясняется работа схемы с общей базы транзистора PNP-типа. Для инжекционного тока важно наличие горячего и холодного PN-переходов. А направление его движения определяется разностью их температур.

Переход База-Коллектор является холодным только при малых токах. При более больших токах, переход База-Коллектор сам становится излучателем тепла, что создаёт как отрицательную обратную связь, так и положительную.

Принцип ООС для биполярного транзистора: без тока База-Эмиттер нет тока База-Коллектор.

Принцип ПОС для биполярного транзистора: Источник тепла База-Коллектор больше чем источник тепла База-Эмиттер.

В работе транзистора присутствуют обе обратные связи (и ООС и ПОС), что проявляется в существовании коэффициента усиления тока в, а также в существовании зон самовозбуждения на вольт-амперных характеристиках транзистора.

Не нужны такие фикции как "дырка" и "дырочная проводимость", когда явление электронного управления можно объяснить с помощью явления теплопередачи, посредством эстафетных и инжекционных токов, с позиций термоэлектроники.