3.2. Устройство и принцип действия

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции н Электропроводность базы может быть электронной (p - n - p) или дырочной (n - p - n ). В (p - n - p) транзисторе основной ток создается дырками, текущими через базу, а в (n - p - n ) - электронами. В усилительном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный

Рис. 27. Распределение потенциалов и токов в структуре транзистора.

а - транзисторная структура; б - распределение концентраций

носителей; в - распределение внутренней разности потенциалов

- в обратном. Соответственно вольтамперная характеристика эмиттерного перехода представляет прямую ветвь, а коллекторного - обратную. Концентрация основных носителей в области коллектора обычно несколько меньше, чем в области эмиттера. Распределение потенциала показано на Рис. 27.

Штрих-пунктирная линия соответствует распределению потенциала при отсутствии питающих напряжений. Сплошная линия соответствует состоянию при подключенных источниках питания. При наличии коллекторного напряжения U_к появляется небольшой обратный ток коллекторного перехода I_кбо . Это важнейший параметр транзистора. Он представляет собой ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении U_кб и разомкнутом выводе эмиттера. При наличии питания U_э происходит прямое смещение эмиттерного перехода и появляется I_э, определяемый током диффузии. Он имеет две составляющие - дырочную и электронную:

I_э = I_{э n} + I_{э p} (3.1)

Поскольку база бедна основными носителями (электронами проводимости), а эмиттер имеет высокую концентрацию основных носителей (дырок проводимости) I_эp >> I_эn (p_p0 >> n_n0). Электронная составляющая замыкается через цепь базы и не участвует в создании тока коллектора. Диффузия электронов из базы в эмиттер восполняется притоком в базу новых электронов из внешней цепи, что и определяет электронную составляющую тока эмиттера. Отношение

I_эp / I_э = I_эp / (I_эp + I_эn ) =  = 0,97 - 0,995 (3.2)

называется эффективностью эмиттера или коэффициентом инжекции.

Дырочная составляющая тока эмиттера определяется переходом дырок из эмиттера в базу. Инжектированные дырки под действием диффузии перемещаются из базы к коллектору. При непрерывной инжекции (I_э = const) в базе устанавливается соответствующее распределение концентрации дырок, что и определяет их перенос через базу. Дырки, как неосновные носители, переходят из базы к коллектору, ускоряются полем коллекторного перехода и увеличивают его ток. Концентрация дырок на границе равна нулю.

Рост I_э приводит к росту концентрации дырок у эмиттерного перехода, в то время, как их концентрация у коллекторного перехода остается равной нулю. Растет диффузионный ток к коллектору. Часть дырок успевает рекомбинировать с электронами проводимости в базе, вызывая дополнительный приток электронов в базу из внешней цепи. Дырочная составляющая коллекторного тока поэтому меньше, чем эмиттерного тока. Отсюда:

I_эр = I_кр + I_{э рек} , (3.3)

где I_{э рек} - рекомбинационная составляющая , совпадающая по направлению с I_эn и замыкающаяся через базу; I_кр - дырочная часть тока эмиттера, замыкающаяся через коллектор.

Снижение потерь дырок от рекомбинации осуществляется за счет увеличения их времени жизни и сокращения времени нахождения в базе (база тонкая), а также увеличения скорости прохождения базы.

Базу делают тонкой и бедной основными носителями, а площадь коллекторного перехода - больше в разы, чем площадь эмиттерного. При этом

I_э.рек << I _кр

Отношение

(3.4)

называется коэффициентом переноса (как и для , значение  близко к единице).

Величина

(3.5)

называется коэффициентом (статическим, интегральным) передачи тока эмиттера. Он показывает, какая часть тока эмиттера замыкается через коллекторную цепь. Увеличение  обеспечивается увеличением разности концентраций, увеличением времени жизни носителей, сокращением толщины базы.

По закону Кирхгофа

I_э = I_к + I_б

I_э = I_эп + I_э.рек + I_кр

I_б = I_эп + I_э.рек - I_кбо

I_к = I_кр + I_кбо = I_э + I_кбо

Коэффициент  зависит и от I_э (рис. 28). С изменением I_э коэффици-

Рис.28. Зависимость коэффициента от тока эмиттера

ент  изменяется из-за изменения концентрации дырок и числа рекомбинаций. Его первоначальный рост обусловлен ростом коэффициента переноса  , а последующее снижение - падением коэффициента инжекции  с ростом Iэ . Максимуму Iэ в маломощных транзисторах соответствует 0,8 - 3 А. При малых Iэ коэффициент  мень-

ше единицы, т.к. в этом случае в базе из-за малой концентрации дырок не создается условий для их быстрого переноса через базу. Большинство дырок рекомбинирует и ток эмиттера замыкается через базу, не достигая коллекторного перехода. При больших токах эмиттера в базе накапливается большой заряд, который притягивает отрицательный заряд, образуемый электронами проводимости. Это снова увеличивает рекомбинацию и снижает коэффициент  .

Обратный ток коллекторного перехода обусловлен неосновными носителями - дырками базы. Это тепловой ток. Управляющее действие транзистора обусловлено изменением дырочной составляющей коллекторного тока I_кр за с

чет дырочной составляющей тока эмиттераI_эр . Таким образом принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзитного (проходящего) потока носителей заряда от эмиттера к коллектору через базу и управлении коллекторным током за счет тока эмиттера. Биполярный транзистор управляется током.