Принцип действия и режимы работы транзистора

Усилительные свойства транзистора наилучшим образом проявляются в нормальном режиме работы, когда эмиттерный переход открыт: V_he > 0, а коллекторный переход закрыт или находится под нулевым напряжением: V_br < 0 (для р-п-р транзистора V_eb > 0, V_cb < 0). При этом в базу инжектируются из эмиттера неосновные носители заряда (электроны для п-р-п транзистора). Толщина базы w_B (ем. рис. IV. 1.1, а) должна быть достаточно мала по сравнению с диффузионной длиной неосновных носителей в базе L_B. При этом большая часть инжектированных в базу электронов достигает закрытого коллекторного перехода и экстрагируется (поглощается) коллектором. Названия областей эмиттера и коллектора отражают процессы эмиссии и собирания неосновных для базы носителей заряда. Название базовой области связано с тем, что в первых транзисторных структурах базовая область составляла первоначальную основу (базу) при изготовлении прибора.

В «хорошем» транзисторе обязательным является выполнение условий.

В параграфе 11.4.8 были введены понятия коэффициентов инжекции электронов у_п и дырок у, а также эффективности эмиттера у, соответствующей коэффициенту инжекции тех носителей заряда, которые являются в эмиттере основными (для п-р-п транзистора у = у"). Кроме того, было показано, что при условии (IV.1.2) эффективность эмиттера близка к 1 (у ~ 1). Таким образом, при условии (IV. 1.2) почти весь ток через эмиттерный переход переносится электронами.

(hn-h) —

В нормальном режиме работы (V_hr <0) инжекция носителей заряда через коллекторный переход практически отсутствует, поэтому ток коллектора 1_С соответствует потоку электронов, инжектированных в базу из эмиттера и экстрагированных коллектором. При условии (IV. 1.1) число электронов, экстрагированных коллектором, много больше числа электронов, рекомбинирующих в базе. Поэтому Таким образом, в нормальном режиме работы ток коллектора с высокой точностью повторяет ток эмиттера.

Принцип действия транзистора основан на том, что ток эмиттера зависит от напряжения на открытом эмиттерном переходе, поэтому его величиной можно управлять с помощью внешнего источника. Ток коллектора практически не зависит от напряжения на закрытом коллекторном переходе и может быть пропущен через достаточно большое внешнее сопротивление в цепи коллектора, что обеспечивает усиление по напряжению и по мощности.

В «плохом» транзисторе хотя бы одно из условий (IV. 1.1), (IV 1.2) не выполнено. При этом ток коллектора не будет повторять с высокой точностью ток эмиттера, а при длинной базе (w_B / L_B «1) вообще не будет от него зависеть (экстракция коллектором электронов, инжектированных из эмиттера, прекратится) и останется равным малому обратному току диода коллектор—база. Если, однако, длина базы хотя бы сравнима с диффузионной длиной неосновных носителей L_B, то экстракция электронов коллектором будут оставаться заметной и пропорциональность между токами коллектора и эмиттера сохранится. Этот эффект взаимодействия эмиттериого и коллекторного р-п переходов и называется «транзисторным эффектом». Степень его проявления зависит от отношения w_B / L_B. В «хорошем» транзисторе он проявляется максимально сильно, а при условии w_B/ L_B отсутствует. Поэтому попытка имитации транзистора двумя встречно включенными диодами (рис. IV. 1.1, б) не может быть успешной — омические контакты к р-областям исключают взаимодействие р-п переходов и транзисторный эффект.

Основным параметром транзистора, характеризующим его усилительные свойства, является коэффициент передачи эмиттерного тока, который определяется как отношение тока коллектора к току эмиттера при нулевом напряжении база—коллектор

Отметим, что определение (IV. 1.3) — лишь одно из возможных и впоследствии будет уточняться. В «хорошем» транзисторе обычно значение a_N составляет не менее 0,95.

Если входным электродом является база, а выходным — коллектор, то транзистор обеспечивает усиление тока. Действительно, при V_bc = 0 ток базы.

где.

— коэффициент усиления базового тока. Индекс N соответствует нормальному режиму работы транзистора. При 1 —oc _v v «1 и составляет обычно не менее 20.

В зависимости от полярности напряжений на р-п переходах возможны четыре режима работы транзистора:

• • нормальный режим V_be > 0; V_I)C < 0;
• • инверсный режим V_be < 0; V_hc > 0;
• • режим насыщения V_be > 0; V_hc > 0;
• • режим отсечки Уы< о; Пс<�о.

В нормальном режиме, как отмечалось выше, усилительные свойства транзистора проявляются в наибольшей степени.

В инверсном режиме условие (IV. 1.1) в большинстве случаев не выполнено. Кроме того, площадь коллекторного перехода S_c обычно заметно превышает площадь эмиттерного перехода S_F и часть неосновных носителей, инжектированных из эмиттера в базу, не может достигнуть коллектора. Поэтому инверсный коэффициент передачи тока существенно меньше 1: в зависимости от конструкции транзистора а₇ = 0, l-s-0,8, и значения инверсного коэффициента усиления базового тока лежат в диапазоне Р, = 0,1−5-4. Заметим, что в соответствии с (IV. 1.4) Р₇ <1 при а, <0,5, и (3, =а_; при а, «1.

В режиме насыщения оба р-п перехода открыты и потенциалы всех электродов имеют близкие значения — транзистор «стягивается в потенциальную точку». В режиме отсечки оба р-п перехода закрыты и между электродами транзистора протекают только малые обратные токи.