Глава 11. Биполярные транзисторы
11.1. Классификация биполярных транзисторов
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами,
усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.
Биполярный транзистор состоит из трех основных областей: эмиттерной (Э), базовой (Б) и коллекторной (К). К каждой из областей имеется омический контакт. Эти области разделяются электронно-дырочными переходами, между которыми существует взаимодействие. В зависимости от типа проводимости областей различают транзисторы p-n-p и n-p-n структуры
(рис. 11.1).
Э |
К |
Э |
К |
|
Б |
|
Б |
|
а) |
|
б) |
Рис. 11.1. Условные обозначения биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) структуры
Транзистор может работать в электронной схеме как в ключевом так и в усилительном режиме. Для того, чтобы транзистор обладал усилительными свойствами, толщина базовой области должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда в этой области, т.е. большая часть
носителей инжектированных эмиттером не должна рекомбинировать в области базы. В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим для входной и выходной цепей, существует три возможных схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК) (рис. 11.2).
В настоящее время существует большое количество конструктивно- технологических вариантов изготовления биполярных транзисторов. Транзисторы старых разработок (40-х годов) изготавливались по сплавной технологии (рис. 11.3, а). Сплавные n-р переходы в транзисторе образуются в
результате вплавления в однородный кристалл полупроводника на небольшую глубину (порядка десяти микрометров) металла или сплава, содержащего донорные или акцепторные легирующие примеси.
196
а) б) в)
Рис. 11.2. Биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой (а), общим эмиттером (б) и общим коллектором (в)
а) |
б) |
в) |
г) |
д) |
Рис. 11.3. Структура сплавного (а) и планарного (б), а также внешний вид (в-д) биполярных транзисторов
197
Распределение легирующих примесей в пределах эмиттера, базы и коллектора такого транзистора практически равномерное. Из-за
неоднородности фронта вплавления металла с помощью сплавления трудно создать транзистор большой площади (более 0,1 см2) и толщиной базы менее 20−30 мкм. Современные биполярные транзисторы изготавливают на основе кремния по планарной или эпитаксиально-планарной технологии
(рис. 11.3, б).
11.2. Физические процессы в транзисторе
Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, возможны четыре режима его работы:
1.Активный режим. Он используется при усилении малых сигналов. В этом режиме прямое напряжение подается на эмиттерный переход, а обратное − на коллекторный.
2.Инверсный режим, когда прямое напряжение подается на эмиттерный переход, а обратное − на коллекторный. При этом эмиттер и коллектор как бы меняются своими ролями.
3.Режим отсечки − к обоим переходам подводятся обратные напряжения. Ток, протекающий через триод, в этом случае ничтожно мал и транзистор в режиме отсечки оказывается практически запертым.
4.Режим насыщения − оба перехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепи максимален и практически не регулируется током входной цеди. В этом режиме транзистор полностью открыт.
Рассмотрим назначение областей биполярного транзистора и принцип его работы на примере простейшей одномерной модели (рис. 11.4). Здесь и далее будет рассматриваться транзистор n-p-n структуры, как наиболее распространенный. Энергетическая диаграмма биполярного транзистора в состоянии равновесия (рис. 11.4, б) является совмещением энергетических диаграмм двух n-p переходов. В общем случае существует небольшое искривление границ энергетических зон в базе (разность энергий на границах базы порядка 0,1 эВ), которое обусловлено внутренним электрическим полем, возникающим вследствие неравномерного распределения акцепторов в базе. Их концентрация на границе базы с эмиттерным переходом у
большинства современных транзисторов выше концентрации на границе с коллекторным переходом.
В активном режиме потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается на величину приложенного прямого напряжения Uэб, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу (рис. 11.4, в).
198
Рис. 11.4. Одномерная модель (а) и энергетические диаграммы биполярного транзистора в условиях равновесия (б) и для активного режима работы (в)
Основное назначение эмиттера − обеспечить максимально возможную при данном прямом токе одностороннюю инжекцию электронов в базу. Электроны, инжектированные в базу, движутся к коллекторному переходу. Так как коллекторный переход смещен в обратном направлении, все электроны, дошедшие до ОПЗ коллектора, будут захвачены электрическим
полем перехода и переброшены в квазинейтральную область коллектора (произойдет экстракция дырок коллектором).
Часть электронов, инжектированных в базу, не достигает коллекторного перехода вследствие рекомбинации. Однако их число невелико, так как толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной электронов.
Поскольку коллекторное напряжение в основном падает на коллекторном переходе, имеющем большое обратное сопротивление, падением напряжения
в базовой области в первом приближении можно пренебречь и считать движение инжектированных носителей в базе чисто диффузионным,
возникающим благодаря наличию градиента концентрации электронов в базе dn/dx. Диффузия присуща всем типам транзисторов.
199