3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе при работе в активном режиме.

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение UЭБ. Поэтому прямой ток перехода:

, (3.1)

где: Iэ р, Iэ n - инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а Iэрек - составляющая тока, вы­званная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода Iэ в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие Iэр и Iэn, определяющие прямой ток в случае идеа­лизированного р-n перехода. Если вклад Iэ рек незначителен, то вместо (3.1) можно записать:

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток Iэ р, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера Iэ n и Iэ рек протекают через вывод базы и являются составляющими тока ба­зы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты Iэ n, Iэ рек долж­ны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается ко­эффициентом инжекции эмиттера:

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составля­ет полезный компонент. В случае пренебрежения током Iэ рек:

. (3.4)

Коэффициент инжекции gЭ "тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение Iэ n/ Iэ р.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток IЭр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентра­ции дырок - неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться ре­комбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок IБ рек, так что ток подхо­дящих к коллекторному переходу дырок:

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэф­фициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, ин­жектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному пере­ходу. Значение cБ тем ближе к единице, чем меньшее число инжек­тированных дырок рекомбинирует с электронами - основными носи­телями базовой области. Ток IБрек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покры­вается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней це­пи, то ток IБрек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей IЭ n.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить cБ, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации до­норов Nд Б. Это совпадает с требованием NАЭ/NДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы WБ и диф­фузионной длины дырок в базовой области Lp Б. Доказано, что име­ется приближенное соотношение:

.

Например, при WБ/Lp Б = 0,1 cБ = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет ла­винного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5):

(3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим:

, (3.9)

где:

. (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к пол­ному току эмиттера называет статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую IКБО, которая протекает в цепи коллектор - база при IЭ = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехо­да, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллек­тора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10):

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для стати­ческого коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (IК - IКБО) представляет собой управляемую (за­висимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, IКр. Обычно ра­бочие токи коллектора IК значительно больше IКБО, поэтому:

. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки:

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, IК и IБ принципиально меньше тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы:

.

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмитте­ра:

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (IЭ = 0, холостой ход), то IБ = -IКБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллектор­ного перехода. При значении I∙Э = IКБО /(1-a) ток IБ = 0, а при дальней­шем увеличении IЭ (IЭ>I∙Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь IК с IБ. Используя (3.11) и (3.15), получаем:

, (3.18)

где:

(3.19)

- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b>>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение:

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изме­няемой) части коллекторноготока (IК - IКБО) к управляемой части ба­зового тока (IБ + IКБО).

Все составляющие последнего выражения зависят от IЭ и обраща­ются в нуль при IЭ = 0. Введя обозначение:

, (3.21)

можно вместо (3.18) записать:

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭО: это зна­чение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ = 0) или при “обры­ве” базы. При IБ = 0:

IК = IЭ

поэтому ток IКЭО проходит через все обла­сти транзистора и является “сквозным” током, что и отражается ин­дексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие IБ = 0).