Биполярные транзисторы

Устройство и принцип действия.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые способны усиливать электрическую мощность. В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей заряда. Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда (электронов и дырок) в работе транзистора: инжекция неосновных носителей сопровождается компенсацией их заряда основными носителями.

Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p-n-переходов. Взаимодействие двух p-n-переходов обеспечивается тем, что они расположены близко друг к другу – значительно меньше диффузионной длины носителей заряда. Транзисторы бывают двух типов: n-p-n и p-n-p в зависимости от порядка чередования слоев с разным типом проводимости (рис.1)

Рис.1. Структура и условные обозначения биполярных транзисторов.

Одна из крайних областей называется эмиттером, другая – коллектором, промежуточную область называют базой. Эмиттер предназначен для инжекции носителей в базу, это наиболее сильно легированная область. Назначение коллектора – экстракция инжектированных носителей из базы. Электронно-дырочный переход (p-n-переход) между эмиттером и базой называется эмиттерным, между коллектором и базой – коллекторным. В реальном транзисторе площадь коллектора больше, чем эмиттера, и транзистор, кроме активной области, ограниченной площадью сечения эмиттера, имеет также пассивные области (рис.2). Структуры на рис.1 отображают лишь активную область транзистора.

Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база однородная (легирована одинаково), то движение носителей в ней чисто диффузионное. Если база неоднородная, то в ней есть внутреннее электрическое поле, и тогда движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом. Транзисторы с однородной базой называются диффузионными, а с неоднородной базой – дрейфовыми.

При нормальном включении транзистора (рис.2) на эмиттерный переход действует прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. При этом дырки инжектируются из эмиттера в базу, благодаря малой толщине базы основная часть инжектируемых носителей пролетает сквозь базу до коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с электронами. Коллекторный переход открыт для дырок, инжектированных в базу, и они беспрепятственно проходят в коллектор. Таким образом, при нормальном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители заряда. На рис.2 токи, переносимые дырками, показаны прозрачными стрелками, электронные токи – темными.

Коллекторный ток I_К пропорционален величине эмиттерного тока I_Э:

I_К = α I_Э+ I_КБО, (1)

где α – коэффициент передачи тока эмиттера.

В цепи коллектора протекает также обратный ток коллектора, I_КБО. Как и в полупроводниковом диоде, обратный ток I_КБО имеет три составляющие.

I_КБО =I_К0+I_КТ+I_КУ

I_КО – ток экстракции (ток неосновных носителей заряда)

I_КТ – термоток (ток генерации электронно-дырочных пар в p-n-переходе).

I_КУ – ток утечки (поверхностный ток).

Токи электродов по закону Кирхгоффа связаны соотношением:

I_Э =I_К+I_Б (2)

Эмиттерный и коллекторный токи почти одинаковы, их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода очень велико. В то же время дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении, очень мало поэтому в цепь коллектора можно включить нагрузку с большим сопротивлением без существенного уменьшения коллекторного тока. Поэтому мощность, создаваемая переменной составляющей тока коллектора в нагрузке может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительными свойствами.

Режимы работы.

Возможны три режима работы биполярного транзистора:

1.Активный режим, когда один из переходов смещен в прямом направлении, а другой – в обратном. При этом возможны два варианта:

– Нормальное включение – на эмиттерный переход подается прямое напряжение, на коллекторный – обратное.

– Инверсное включение – когда на эмиттерный переход подано обратное напряжение, на коллекторный – прямое. Передача тока при этом значительно хуже, чем при нормальном включении, во-первых, из-за того, что коллектор легирован слабее, во-вторых, размеры эмиттера меньше, чем коллектора, и только часть зарядов попадает в эмиттер.

2.Режим насыщения (двойной инжекции) – характерен тем, что на обоих переходах эмиттерном и коллекторном действует прямое напряжение. При этом и эмиттер и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг-другу и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие от другого.

3.Режим отсечки – когда оба перехода смещены в обратном направлении, транзистор заперт.