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.

Схемы включения.

В зависимости от того, какой электрод соединен с общей шиной возможны три способа включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) (рис.3)

Задавать прямое напряжение на p-n-переходе практически невозможно, как правило, задается прямой ток. Таким образом, для включения с ОБ характерна заданная величина тока эмиттера. Схема с ОБ обладает малым входным сопротивлением и не обеспечивает усиление по току, т.к. I_К ≈I_Э.

Для транзистора с ОЭ характерна заданная величина тока базы. Выходной ток пропорционален входному

I_К= β I_Б +I_КЭО (3)

где  – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, I_КЭ0 – обратный ток коллектора при разомкнутой базе. Коэффициенты ,  и токи I_КЭ0, I_КБ0 связаны соотношениями

(4)

(5)

Схема с ОЭ обеспечивает усиление тока, напряжения, мощности. Входное сопротивление больше входного сопротивления схемы с ОБ.

В схеме с общим коллектором (ОК) выходным током является ток эмиттера.

(6)

Схема с ОК обеспечивает усиление по току и не усиливает по напряжению. Достоинством является большое входное сопротивление.

Распределение концентрации неосновных носителей в диффузионном транзисторе.

Рассмотрим одномерную модель p-n-p транзистора, пренебрегая толщиной p-n-переходов. На рис. 4 неравновесные концентрации показаны сплошными линиями, а равновесные – штриховыми.

В режиме отсечки (рис. 4а) концентрация неосновных носителей на границах переходов практически равны нулю, оба перехода экстрагируют носители из прилегающих областей. Вследствие малой толщины базы концентрация электронов во всем объеме базы падает практически до нуля.

При нормальном включении (рис. 4б) эмиттер инжектирует дырки в базу, одновременно происходит также небольшая инжекция электронов из базы в эмиттер. Коллекторный переход экстрагирует дырки из базы и электроны из объема коллектора. Распределение дырок в базе практически линейное: dp/dx=-p(0)/w, где p(0) – концентрация дырок у эмиттерного перехода, w – ширина (толщина) базы. Соответственно,

I_КI_Э=-eSD_p dp/dx=eSD_p p(0)/w

где S – площадь сечения. В базе накапливается заряд неравновесных носителей

Q=eSw p(0)/2=I_D,

где _D=w²/(2D_p) – среднее время диффузии дырок через базу.

При инверсном включении распределение концентраций – противоположное нормальному включению.

В режиме насыщения (рис. 4в) примерное распределение концентрации в базе можно получить, складывая распределения для нормального и инверсного включения. В этом режиме каждый из переходов инжектирует носители в базу и в то же время собирает носители, дошедшие от другого перехода. В базе и коллекторе накапливается большой неравновесный заряд.

Распределение основных носителей повторяет распределение неосновных на уровне их равновесной концентрации, т.к. должно соблюдаться условие электронейтральности: p-p₀=n-n₀. Основные носители образуют как бы неподвижное облако, компенсирующее заряд неосновных носителей.

Дрейфовый транзистор.

При формировании области базы методом диффузии легирующей примеси с поверхности кристалла концентрация примеси убывает от эмиттера к коллектору. Распределение концентрации примеси N в базе можно аппроксимировать экспоненциальной функцией:

N=N_Эexp(-ax), (0≤x≤w)

Концентрация на границе с коллекторным переходом равна

N_К=N_Эexp(-aw), отсюда Логарифм отношения граничных концентраций называется коэффициентом неоднородности базы :

Для p-n-p транзистора N – это концентрации донорной примеси. В этом случае плотность электронного тока в базе равна нулю:

Отсюда, используя соотношение Эйнштейна D=_T и равенство n=N_d, получаем

Напряженность поля в базе постоянна. Это означает, что объем базы не содержит электрического заряда, поле создается зарядами на границах базы.

Коэффициент неоднородности базы показывает отношение разности потенциалов, создаваемых в базе полем к температурному потенциалу:

Дырочный ток имеет не только диффузионную, но и дрейфовую составляющую:

В строенное поле является ускоряющим для инжектированных дырок. Диффузионная составляющая зависит от градиента концентрации и не зависит от концентрации, тогда как дрейфовая составляющая прямо пропорциональна концентрации. Поэтому соотношение между ними меняется по мере движения дырок к коллектору. Дрейфовая составляющая максимальна вблизи эмиттерного перехода и обращается в нуль на коллекторном переходе. На рис.5 показано распределение носителей в базе в относительном масштабе при нормальном включении. За единицу масштаба принята граничная концентрация у бездрейфового транзистора p_D(0) при одинаковых значениях эмиттерного тока. Избыточный заряд базы, пропорциональный площади под соответствующими кривыми распределения, можно аппроксимировать формулой

Q=I_Э _пр

где _пр – время пролета базы:

,

Физическая модель биполярного транзистора (модель Эберса-Молла)