4. Анализ процессов в биполярном транзисторе
Рассмотрим прежде всего, как работает транзистор (для примера типа n-р-n) в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений E1 и E2 (рис. 4-1,а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е2 обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 4-1,а видно, что напряжение между электродами транзистора связаны простой зависимостью:
EMBED Equation.3 (4.1)
При работе транзистора в активном режиме обычно всегда EMBED Equation.3 и, следовательно, EMBED Equation.3 .
Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе. А вольтамперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база-эмиттер ( EMBED Equation.3 ), существенно влияет на ток коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение EMBED Equation.3 , т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.
Рис 4-1. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n-р-n и р-n-р.
Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения EMBED Equation.3 понижается потенциальный барьер, в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход ток эмиттера EMBED Equation.3 . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «-» . Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, т. е. втягивает электроны область коллекторного перехода.
Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока EMBED Equation.3 . Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:
EMBED Equation.3 (4.2)
Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно EMBED Equation.3 составляет проценты тока эмиттера, т. е. EMBED Equation.3 и, следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера. т. е. можно считать EMBED Equation.3 . Именно для того, чтобы ток EMBED Equation.3 был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.
Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.
Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе почти нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обеденные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из n-области.
Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток коллектора EMBED Equation.3 .
Данное одному из электродов транзистора название «эмиттер» подчеркивает, что происходит инжекция электронов из эмиттера в базу. Применение термина «инжекция» необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электронной эмиссии, в результате которой получаются свободные электроны в вакууме или разреженном газе.
По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.
Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового токов:
EMBED Equation.3 (4.3)
Важным свойством транзистора является приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются приблизительно пропорционально друг Другу. Пусть, для примера, EMBED Equation.3 =10мА, EMBED Equation.3 = 9,5 мА, EMBED Equation.3 = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА. то остальные токи возрастут также на 20%: EMBED Equation.3 = 0,5 + 0.1 = 0,6 мА и EMBED Equation.3 = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т.е. 12 мА=11,4 мА + 0,6 мА. А для приращения токов справедливо равенство (4.3), т. е. 2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.
Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п-р-п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р-п-р но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений и направления токов (рис. 4-2,б). В транзисторе типа р-п-р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки. Они являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора. Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая показана на рис. 4-2 для транзистора типа n-р-n.

Рис. 4-2. Потенциальная диаграмма транзистора
Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение EMBED Equation.3 , тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогичные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.
Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.
Существенное влияние на работу транзисторов оказывает сопротивление базы EMBED Equation.3 , т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы EMBED Equation.3 . Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллектор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока EMBED Equation.3 , ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы EMBED Equation.3 (его называют поперечным) достигает сотен Ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение EMBED Equation.3 , между выводами базы и эмиттера, так как часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления EMBED Equation.3 можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4-3. На этой схеме EMBED Equation.3 — сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение EMBED Equation.3 у маломощных транзисторов достигает десятков Ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов EMBED Equation.3 больше и EMBED Equation.3 соответственно меньше. Приближенно EMBED Equation.3 определяется формулой (в Омах)
EMBED Equation.3 (4.4)
где ток EMBED Equation.3 , выражается в миллиамперах.
Сопротивление коллектора EMBED Equation.3 представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоОм. В него входит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.
Схема на рис. 4-3 является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. Тем не менее эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

Рис. 4-3. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока
При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, являющееся главным образом результатом ударной ионизации. Это явление и туннельный, эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода.
Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор - база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.
При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе. т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием носителей заряда в базе.
В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзистора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.
Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током EMBED Equation.3 так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому
EMBED Equation.3 (4.5)
где EMBED Equation.3 - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора: он может иметь значения от 0,950 до 0,998.
Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе EMBED Equation.3 к 1. Через коллекторный переход, всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток EMBED Equation.3 (рис. 4-4), называемый начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток
EMBED Equation.3 (4.6)
Во многих случаях EMBED Equation.3 , и можно считать, что EMBED Equation.3 . Если надо измерить EMBED Equation.3 то это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при EMBED Equation.3 ток EMBED Equation.3 .
Преобразуем выражение (4.6) так, чтобы выразить зависимость тока EMBED Equation.3 от тока базы EMBED Equation.3 Заменим EMBED Equation.3 , суммой EMBED Equation.3 :
EMBED Equation.3

Рис. 3-4. Токи в транзисторе
Решим уравнение EMBED Equation.3 относительно EMBED Equation.3 .Тогда получим
EMBED Equation.3
Обозначим
EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3
и напишем окончательное выражение
EMBED Equation.3 (4.7)
Здесь EMBED Equation.3 является коэффициентом передачи тока базы и составляет десятки единиц. Например, если EMBED Equation.3 = 0,95, то

а если коэффициент EMBED Equation.3 = 0,99, т. е. увеличился на 0,04, то

т. е. EMBED Equation.3 увеличивается в 5 с лишним раз!
Таким образом, незначительные изменения EMBED Equation.3 приводят к большим изменениям EMBED Equation.3 . Коэффициент EMBED Equation.3 так же, как и EMBED Equation.3 , относится к важным параметрам транзистора. Если известен EMBED Equation.3 то можно всегда определить EMBED Equation.3 по формуле
(4.8)
Ток EMBED Equation.3 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если EMBED Equation.3 , т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при EMBED Equation.3 получаем EMBED Equation.3 . Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора EMBED Equation.3 .Ток EMBED Equation.3 , и, зная, что EMBED Equation.3 , нетрудно найти EMBED Equation.3 . А так как EMBED Equation.3 , то
EMBED Equation.3 (4.9)
Значительный ток EMBED Equation.3 объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения EMBED Equation.3 приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.
При значительном повышении напряжения EMBED Equation.3 , ток EMBED Equation.3 резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что если EMBED Equation.3 , не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (если в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения EMBED Equation.3 , действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток EMBED Equation.3 , и равный ему ток EMBED Equation.3 , на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.
Если надо измерить ток EMBED Equation.3 , то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разрыве провода базы.