2. Физические процессы, протекающие в биполярном транзисторе. Модель Эберса-Молла. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция диффузия рекомбинация экстракция Рассмотрим работу транзистора типа n-p-n в режиме без нагрузки (включены только источники постоянных питающих напряжений E1 и E2). Схема движения электронов и дырок в транзисторе типа n-p-n представлена на рисунке 1. Рисунок 1 – Движение электронов и дырок в транзисторе типа n-p-n Обозначение транзистора типа n-p-n показано на рисунке 2. Рисунок 2 – Обозначение транзистора типа n-p-n на схеме. Эмиттер – область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектор – область транзистора, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. База – область транзистора, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда. У напряжений E1 и E2 такая полярность, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. У коллекторного перехода сопротивление велико, напряжение E2 обычно составляет единицы или десятки вольт. Из рисунка 1 видим, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью: u к э u к б uб э , (1) где uк э , uк б , uб э – напряжения между коллектором и эмиттером, коллектором и базой, базой и эмиттером соответственно. Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т.е. участка база-эмиттер uб э , существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. Таким образом, напряжение, т.е. входное напряжение uб э , управляет током коллектора. Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения uб э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера iэ . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратно напряжении, то в этом переходе возникают объёмные заряды, показанные на рисунке 1 кружками со знаками «+» и «–». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует экстракции через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера (втягивают в область коллекторного перехода). Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками, вследствие чего возникает ток базы, а также каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но такое же количество дырок возникает из-за ухода такого же числа электронов из базы к полюсу источника E1. Т.е. в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остаётся в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое е число электронов должно уходить из эмиттера в виде тока iб (составляет малую долю % тока эмиттера). По первому закону Кирхгофа: iэ iк iб . Учитывая, что iб (2) iэ , получаем iк iэ . Ток базы является бесполезным и даже вредным, поэтому базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками. Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе нет тока. В таком случае у области коллекторного перехода большое сопротивление постоянному току. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением электронов из p- области в n-область. Но если возник незначительный ток эмиттера под действием входного напряжения, то в область базы инжектируются электроны (неосновные носители) со стороны эмиттера и, не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. С увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных их эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллектора iк . Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока: iэ iк iб . (3) Важное свойство транзистора: Все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу. Подобные процессы происходят и в транзисторе типа p-n-p, но в нём меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов. Схема движения электронов и дырок в транзисторе типа p-n-p представлена на рисунке 3. Рисунок 3 – Движение электронов и дырок в транзисторе типа p-n-p. Обозначение транзистора типа p-n-p показано на рисунке 4. Рисунок 4 – Обозначение транзистора типа p-n-p на схеме. Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы для транзистора типа n-p-n (рис. 5). Рисунок 5 – Потенциальная диаграмма транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение uб э , тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны. МОДЕЛЬ ЭБЕРСА-МОЛЛА – основная модель биполярного транзистора: два диода и два источника тока включены навстречу друг другу (рис.6). Рисунок 6 – Эквивалентные схемы Эберса – Молла Источники тока управляются токами диодов, сами диоды считаются идеальными, если их характеристики имеют вид I F I FO (eqVEB / kT 1) , (4) I R I RO (eqVCB / kT 1) , (5) где I FO и I RO – соответственно токи насыщения диодов, смещённых нормально в прямом и обратном направлениях. Внешние токи транзистора: I E I F 1I R (6) IC I R N I F (7) I B (1 N ) I F (1 1 ) I R (8) где 1 , 2 – соответственно прямой и инверсный коэффициенты усиления транзистора в схеме с общей базой. Формулы (4)-(8) устанавливают соотношения между внешними токами I E и I C и приложенными к переходам напряжениями VEB и VCB . Простейшая модель содержит 4 параметра: I RO , I FO , N , I . Для эмиттерного и коллекторного токов можно записать выражения: I E a11 (eqVEB / kT 1) a12 (eqVEB / kT 1) IC a21 (eqVEB/ kT 1) a22 (eqVEB / kT 1) Отсюда: a11 I FO , a12 1I RO a21 N I FO , a22 I RO => a1I RO N I FO . Следовательно, для основной модели требуются только три параметра. 5. Экспериментальная установка. Схемы для снятия статистических характеристик и измерения коэффициента усиления по напряжению. Лабораторная установка предназначена для экспериментального снятия основных характеристик транзистора. В состав лабораторной установки входят стабилизированные регулируемые источники питания, измерители напряжения тока, панель с исследуемым транзистором и ограничительными резисторами. На рисунке 7 показана схема для снятия статистических характеристик биполярного транзистора с общим эмиттером. Рисунок 7 – Схема для снятия статистических характеристик. На рисунке 8 приведена схема для измерения коэффициента усиления низкочастотного сигнала, в состав которой входят: 1 – генератор низкой частоты, 2 – n-p-n транзистор, 3 – двухканальный осциллограф. Рисунок 8 – Схема для измерения коэффициента усиления низкочастотного сигнала.
