Основные физические процессы в биполярных транзисторах

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.

Рассмотрим р‑n переход эмиттер – база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р‑n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок р_n(х) по базе описывается следующим уравнением:

.

Схематически распределение инжектированных дырок р_n(х) показано на рисунке 5.5.

Рис. 5.5. Распределение инжектированных дырок в базе

Процесс переноса инжектированных носителей через базу – диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения, – диффузионная длина L_p. Поэтому если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины L_p. И условие W < L_p является необходимым для реализации транзисторного эффекта – управления током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.

В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток.

Вольт‑амперные характеристики биполярного транзистора в активном режиме

Рассмотрим случай, когда на эмиттерный переход биполярного транзистора подано прямое, а на коллекторный – обратное смещение. Для p‑n‑p биполярного транзистора это U_э > 0, U_к < 0.

Для нахождения ВАХ в качестве входных параметров выбирают J_э, U_к, а выходных – J_к, U_э из соображений удобства измерения. Выразим в (5.5) , подставим в выражение дляJ_к и получим:

.

Следовательно,

. (5.6)

Соотношение (5.6) описывает семейство коллекторных характеристик I_к = f(U_к) с параметром I_э.

Семейство эмиттерных характеристик U_э = f(I_э) с параметром U_к получим из (5.5). Учитывая, что , получаем:

;

. (5.7)

Формулы (5.6) и (5.7) описывают характеристики транзистора, представленные на рисунке 5.9.

Рис. 5.9. Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме: семейство коллекторных кривых

Для активного режима, когда U_э > 0, U_к < 0, |U_к| << 0, выражения (5.6) и (5.7) переходят в выражения:

. (5.8)

Конструкция и принцип действия полевого транзистора

Полевой транзистор (ПТ) с управляющим р–n-переходом имеет низколегированный проводящий канал с двумя омическими переходами (контактами). С одного из них – истока в канал – инжектируются основные носители (монополярная инжекция), с другого – стока носители заряда – выходят во внешнюю электрическую цепь. Для протекания тока по каналу между истоком и стоком необходимо за счет внешнего источника питания создать разность потенциалов U_ис. Канал имеет длину а в направлении протекания тока и соответственно ширину b в направлении, перпендикулярном току. Перпендикулярно направлению тока изготавливается один или два управляющих р–n-перехода (затвора). Затвор всегда высоколегирован и имеет проводимость противоположного типа по сравнению с типом проводимости канала. Каждый затвор имеет омический переход (контакт). Потенциал затвора относительно истока может быть нулевым (затвор соединен с истоком) или обратно смещающим управляющий р–n-переход (для этого между затвором и истоком включается источник питания U_з). Полевые транзисторы могут отличаться типом проводимости канала. Изготавливаются транзисторы с каналом n-или р–типа. На рис.1 приведены структуры ПТ с одним (рис.1,а) и двумя затворами (рис.1,б) и условные обозначения ПТ с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа (рис.1,в) и p-типа (рис.1,г).

Токи, текущие через обратносмещенные затворы, на несколько порядков меньше тока стока, а напряжения на затворе по абсолютной величине меньше или порядка напряжения на стоке, поэтому управлять током стока путем изменения напряжения на затворе энергетически выгоднее, чем изменением напряжения на стоке.

Входным сопротивлением полевого транзистора в схемах с общим стоком и общим истоком будет большое сопротивление обратносмещенного p–n-перехода, которое на несколько порядков больше входного сопротивления биполярного транзистора при любой схеме включения. Однако коэффициент усиления ПТ меньше коэффициента усиления усилительного каскада с биполярным транзистором. Поэтому ПТ используют в основном во входных каскадах усилителей, где существенно большое входное сопротивление.

Полевой транзистор будет работать, если при включении в электрическую цепь поменять местами электроды истока и стока. Нормальная работа ПТ с каналом p - типа обеспечивается подачей положительного смещения на затвор и отрицательного на сток.

Максимальный ток стока и максимальная крутизна у ПТ с управляющим р–n-переходом (как с каналом p-типа, так и с каналом n-типа) наблюдается при нулевом смещении на затворе. При подаче прямого смещения на затвор ПТ появляется прямой ток через участок затвор – исток и резко уменьшается входное сопротивление транзистора. В этом режиме полевые транзисторы не используют.