Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, то есть участка база-эмиттер U БЭ, существенно влияет на токи эмиттера и 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 U БЭ, то есть входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.
Если к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение U БЭ, а к коллекторному – обратное напряжение, то через эмиттерный переход в область базы будут инжектироваться электроны, образуя эмиттерный ток транзистора I Э. Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинирует с основными для этой области носителями заряда – дырками, образуя ток базы I Б. Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода, с помощью электрического поля, создаваемого напряжением U КБ, подвергается экстракции в коллектор, образуя через переход коллекторный ток I К '. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление и соответственно увеличивается ток коллектора. Ток коллектора связан с током эмиттера выражением
I К ' = α I Э, (1)
где α – коэффициент передачи тока эмиттера, α = 0,980... 0,995.
Таким образом, эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу; коллектором – область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток I К0, образованный потоком из коллектора в базу неосновных для коллекторной области носителей заряда (дырок).
Таким образом, полный ток коллектора
I К = α I Э + I К0. (2)
Во многих случаях I Э >> I К0, и можно считать, что ток коллектора определяется выражением
I К = α I Э. (3)
В соответствии с первым законом Кирхгофа
(4)
Из равенств (3) – (4) следует, что
, (5)
где β – коэффициент передачи тока базы.
Следовательно:
, (6)
Так как величина α близка к 1, то β может принимать большие значения. Для интегральных n-p-n-транзисторов оно составляет от 50 до 200.
Согласно формуле (5) биполярный транзистор является усилительным элементом, управляемым током: малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.
При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (в результате ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробои коллекторного перехода в транзисторе происходят в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, то есть без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного напряжения. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя.
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.
1.3. Режимы работы биполярного транзистора
В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора:
1. активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный – в закрытом (соответствует открытому состоянию транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном).
Работа биполярного транзистора в активном режиме основана на сочетании процессов инжекции носителей через один переход и собирания их на другом переходе. Концентрация примесей в эмиттере значительно больше, чем в базе и коллекторе. Поэтому электронная составляющая тока n-p-n -транзистора является преобладающей. В активном режиме ток коллектора управляется током эмиттера (или напряжением эмиттерного перехода) и почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку последний смещен в обратном направлении. Активный режим является основным, если транзистор используется для усиления сигналов.
2. режим насыщения, при котором оба перехода открыты (соответствует состоянию насыщения, когда эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении),
Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера (порядка единицы – десятки милливольт) этот режим используется для замыкания электрических цепей.
3. режим отсечки, при котором оба перехода закрыты (соответствует закрытому состоянию транзистора, когда эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении),
Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю и его сопротивление имеет максимальное значение, то этот режим используется для размыкания электрических цепей.
Режимы отсечки и насыщения биполярных транзисторов являются основными, когда они работают в ключевых и логических схемах.
4. инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт.
При этом режиме эмиттер играет роль коллектора, а коллектор – эмиттера.
Исходя из реальной структуры несимметричного транзистора, этот режим работы приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой транзистора в активном режиме, и поэтому на практике применяется крайне редко.
Для симметричного транзистора (с одинаковыми площадями эмиттерного и коллекторного переходов) коллектор и эмиттер взаимозаменяемы. Инверсный режим работы такого транзистора используется в двунаправленных ключах.