Фізичні процеси у транзисторі
Схема включення із загальною базою дозволяє краще розкрити фізичні процеси, що протікають у транзисторі. Тому далі ми розглянемо бездрейфовий n-p-n-транзистор в активному режимі у схемі із загальною базою. Енергетична діаграма такого транзистора наведено на рис. 8.2.
Рис.8.2. Енергетична діаграма біполярного n-p-n транзистора активному режимі. Ec – дно зони провідності Ev – стеля валентної зони, Djк еб та Djк еб – контактні різниці потенціалів емітерного та колекторного переходів
На емітерний перехід подають пряму напругу(Uеб),його величина для транзистора малої потужності зазвичай становить кілька часток вольта. Під впливом цієї напруги створюється зовнішнє електричне поле, вектор напруженості якого спрямований назустріч вектору дифузійного (внутрішнього) електричного поля емітерного переходу. Чим більша напругаUеб, тим нижчий потенційний бар'єр (див. рис. 8.2) в емітерному переході, тим більше носіїв заряду (в даному випадку електронів) долає його і потрапляє з емітера в базу.
На колекторний перехід подають зворотну напругу. Як відомо (див. розділ 5.1.3), при зворотному зміщенні pn-переходу через нього йде струм неосновних носіїв. Електрони, інжектовані в p-базу, є неосновними носіями. Неосновні носії, що опинилися поблизу колекторного переходу, потрапляють в електричне поле, що прискорює їх, колекторного переходу і втягуються в колектор - відбувається екстракція неосновних носіїв заряду.
Таким чином, неосновні носії в основі розподілені нерівномірно: їх концентрація велика поблизу емітерного переходу і мала поблизу колекторного. Як наслідок наявності градієнта концентрації виникає дифузія.Перенесення неосновних носіїв(електронів)через базу в бездрейфових транзисторах здійснюється за допомогою дифузії. Інжектовані з емітера електрони через базову область доходять до колекторного переходу.
З принципу дії транзистора випливає, що струм, поточний через емітерний перехідIе, є струмом, що управляє, від величини якого залежить струм в ланцюгу колектораIк(Iк– керований струм). В ідеальному n-p-n транзисторі струм утворений тільки електронами, причому всі електрони, інжектовані в базу, доходять до колекторного переходу (Iе = Iк). p align="justify"> Робота реального транзистора характеризується наступними особливостями.
При малих напругах на емітерному переході висота потенційного бар'єру на переході ще велика. Тоді багато електронів не зможуть подолати потенційний бар'єр, проте поблизу середини p-n - переходу може відбуватися їхня рекомбінація з електронами. Складову прямого струму, пов'язану з процесом рекомбінації носіїв у p-n-переході, називаютьрекомбінаційним струмом. Зі зростанням напруги на емітерному переході внесок рекомбінаційної складової струму зменшується. Емітерний струм утворюється не тільки під час руху електронів з емітера в основу. Деякий внесок у нього роблять дірки, що рухаються з бази в емітер. Вклад дірочної складової струму необхідно зменшувати. У основі транзистора відбувається рекомбінація інжектованих електронів з дірками бази. Бажано, щоб ця рекомбінація була незначною.
Щоб зменшити вплив останніх двох факторів, зменшують товщину бази і знижують концентрацію основних носіїв (електронів у структурі) в базі. Це досягається вищим ступенем легування емітера порівняно з базою.
Площа колекторного переходу зазвичай у кілька разів більша за площуемітерного переходу, що дозволяє колектору збирати навіть неосновні носії заряду (електрони), які пересуваються від емітера під деяким кутом до осі транзистора. Висновок бази мають у своєму розпорядженні по можливості далі від емітера. Незважаючи на ці заходи, незначна частина інжектованих електронів все ж таки доходить до базового висновку і рекомбінує на ньому.
Невелика зміна струму пов'язана також із рекомбінацією на поверхні кристала, в об'ємах емітера та колектора; можлива генерація носіїв у колекторному переході тощо.
Колекторний перехід зміщується у зворотному напрямку, на нього подається порівняно висока (одиниці, десятки вольт) по модулю напругаUкб. Концентрація домішок (донорів) у колекторі повинна бути меншою, ніж в емітері, оскільки в цьому випадку колекторний перехід виходить ширшим і зростає його напруга пробою.
В результаті вжитих заходів колекторний струм транзистора в активному режимі приблизно дорівнює емітерному
, (8.2.1)
а струм бази малий: він значно менший як струму колектора, так і струму емітера. Його можна знайти, віднімаючи з емітерного струму колекторний:
. (8.2.2)
Розглянемо, як відбувається посилення у транзисторі за активного режиму його роботи.
У схемі із загальною базою у вихідний (колекторної) ланцюга йде практично той самий струм, що й у вхідний, отже, посилення струму у разі відсутня. Однак ця схема дає змогу отримати посилення за потужністю. Введення носіїв в область бази через емітерний перехід пов'язане з витратою порівняно невеликої енергії, оскільки падіння напруги на емітерному переході невелике. Однак носії, введені в область бази, потім потрапляють у колекторний перехід, а звідти – у зовнішній ланцюг. Падіння напругина колекторному переході та на включеному послідовно з ним навантаженні значно більше, ніж на емітерному переході. Отже, проходження носіїв через ланцюг колектора викликає відбір джерела живлення значно більшої кількості енергії, ніж було витрачено на введення носіїв у базу.
У схемі із загальним емітером вхідний ланцюг є ланцюг бази, а струм бази істотно менше струму емітера, таким чином, у схемі із загальним емітером можна отримати посилення як по потужності, так і по струму.