Активный режим работы биполярного транзистора

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Активный режим биполярного транзистора

За счет прямого смещения эмиттерного перехода электроны - основные носители
п-слоя переходят в р-слой. Часть из них рекомбинирует с дырками базовой области. Поскольку технологически обеспечивается неравенство

р_р << п_р,

то вероятность рекомбинации мала, и большая часть электронов эмиттера доходит до запертого коллекторного перехода. Поскольку электроны эмиттера для р-области (базы) являются неосновными носителями, то поле запертого коллекторного перехода является для них ускоряющим, и они путем дрейфа переходят в область коллекторного слоя п.

Запирающий источник Е_и вызывает протекание малого обратного тока коллекторного перехода I_ко. Обозначив коэффициентом часть электронов эмиттера, избежавших в слое базы рекомбинации и попавших в слой коллектора, можно записать очевидное соотношение для тока коллектора в активном режиме, как

I_к= I_э+ I_ко, (4.1)

I_э=F(Е_{э б}).

Из (4.1) с очевидностью подтверждается, что биполярный транзистор является электрически управляемым элементом

I_к= F(I_э)= F(Е_{э б}).

Учитывая малость обратного тока (I_ко®0) и близость к единице коэффициента , можно считать

I_к » I_э. (4.2)

Поскольку напряжение источника Е_{к б} (запирающего) может быть выбрано много больше, чем напряжение Е_{э б} на открытом переходе (для кремния это около 0.7В), на основании (4.2) можно записать

(Р _и =I_кЕ_кб)>> (Р _у =I_эЕ_эб),

т.е. мощность источника энергии Р_и, управляемая транзистором, много больше мощности управления Р_у, что является обязательным свойством любого управляемого элемента. В этом смысле говорят, что биполярный транзистор является усилительным элементом.

Если рассматривать ток коллектора, как функцию тока эмиттера (см. 4.1), то это вариант управления током. Но это чисто условно, поскольку ток I_э=F(Е_эб) и можно считать, что транзистор управляется напряжением, когда связь выходного тока с управляющим напряжением может быть представлена в виде

I_к= Е_эб + I_ко, (4.3)

где - коэффициент, называемый крутизной биполярного транзистора, имеющий размерность проводимости.

Рис. 4.5. Работа биполярного транзистора от реального источника управляющего сигнала

Реально источник управляющего сигнала всегда можно представить в виде идеального источника ЭДС Е_у с внутренним сопротивлением R_у (рис. 4.5) и в этом случае использование соотношений (4.1) или (4.3) является делом вкуса, так как для определения I_у и U_у через заданные Е_у и R_у необходимо решать нелинейную задачу.

Главным недостатком схемы с ОБ, из-за которого эта схема в чистом виде практически не используется, является большая величина тока, а, следовательно, мощность управления (см. соотношение (4.2). Реальные источники сигналов в большинстве случаев не могут из-за ограниченной мощности обеспечить такой ток (мощность). Возвращаясь к рис. 4.4 на основании закона Кирхгофа для узла Б имеем

I_э=I_б+I_к

или с учетом соотношения (4.1)

I_б = I_э - I_к= I_э(1- ) - I_ко. (4.4)

Рис. 4.6. Управление током базы

Учитывая, что »1 из (4.4) следует

I_б << I_э, I_б << I_к.

Поскольку ток базы вызывается тем же самым напряжением Е_бэ, что и ток эмиттера, из (4.4) следует, что получить одинаковый ток коллектора можно за счет задания тока базы, значительно меньшего, чем ток эмиттера.

Это достигается в схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) рис. 4.6.

Теперь мощность, потребляемая от управляющего источника,

Р_у=Е_бэI_б

много меньше, чем в схеме с ОБ, благодаря чему схема с ОЭ является основной схемой, используемой на практике.

4.2. Статические характеристики биполярного транзистора
для активного режима

Используя соотношения (4.1) и (4.4) можно получить уравнение для тока коллектора в функции от управляющего тока базы

. (4.5)

Уравнение (4.5) является нелинейным в силу зависимости

В=F(I_б, U_кэ), I_к0.=F(U_кб).

При U_кб = 0 I_ко = 0, то из (4.1) и (4.5) получаем значения статических коэффициентов передачи соответственно токов эмиттера и базы

. (4.6)

Зависимость (4.5) чаще всего представляется ВАХ, пример которых приведен на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Типичный вид ВАХ биполяр ного транзистора с ОЭ

Рис. 4.8. Типичные зависимости статического коэффициента тока базы от режима покоя

Пунктиром на рис. 4.7 изображено геометрическое место точек, соответствующих равенству

U_кэ=U_бэ (U_кб=0).

Левее этой кривой находится область насыщенного режима. Активный режим начинается при I_б>0.

При I_б £ 0 имеет место режим отсечки. Минимально возможный ток коллекторов в режиме отсечки достигается при I_б=- I_ко, когда согласно (4.5)

I_к=I_ко.

В силу нелинейности основной параметр биполярного транзистора В существенно зависит от режима покоя (рис. 4.8).