Активный режим работы биполярного транзистора

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 4.4.

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

р_р << п_n

Рис. 4.4. Активный режим биполярного транзистора

и база выполняется узкой, 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, I_э=F(Е_эб). (4.1)

Из (4.1) с очевидностью подтверждается, что биполярный транзистор является электрически управляемым элементом: I_к= F(I_э) = F(Е_эб).

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

I_к» I_э. (4.2)

Так как напряжение источника Е_кб (запирающего) может быть выбрано много больше, чем напряжение Е_эб на открытом переходе (для кремния это около 0,7 В), на основании (4.2) можно записать, что

(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 (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, 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.

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

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

Главным недостатком схемы с ОБ, из-за которого эта схема в чистом виде практически не используется, является большая величина тока, а, следовательно, мощность управления – 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)

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.

Рис. 4.6. Управление током базы

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.

4.3. Статические характеристики биполярного транзистора
для активного режима

Используя соотношения (4.1) и (4.4), получаем 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_кo= F(U_кб).

Если 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.

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 (рис. 4.8) существенно зависит от рабочего режима.

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