Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

ЛЕКЦИЯ 6

 

Биполярные транзисторы

 

План лекции:

Структура и принцип работы биполярного транзистора

Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Уравнения и эквивалентные схемы биполярного транзистора

Структура и принцип работы биполярного транзистора

Биполярным транзистором (БТ) называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n -пере­ходами, созданными в объёме монокристалла полупроводника. В зависимости от материала полупроводника различают кремниевые и германиевые транзисторы. Два p-n -пере­хода разделяют монокристалл на три легированные примесями области, называемые эмиттером, базой и коллектором и имеющие соответствующие выводы. По виду примесей различают транзисторы типов n-p-n и p-n-p (рис. 6.1). Приборы типа n-p-n в настоящее время используют чаще, потому что по сравнению с транзисторами p-n-p типа они имеют лучшие характеристики в области высших частот из-за большей подвижности дырок и большее усиление при одной и той же концентрации примесей и одинаковой геометрии.

Биполярным транзистор называют потому, что его работа зависит от носителей заряда обеих полярностей. Весьма часто БТ называют просто транзистором от английского transfer resistor. По смыслу это означает, что транзистор изменяет (трансформирует) величину сопротивления, согласуя сопротивление нагрузки с выходным сопротивлением предыдущего каскада (узла) схемы.

 

Рис. 6.1. Структуры и условные графические обозначения биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) типов

 

Усилительные свойства транзистора обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. БТ можно использовать в качестве усилителя тока, напряжения или мощности.

Электроды или выводы транзистора – проводники, которые соединены с p - и n -областями транзистора для обеспечения возможности включения транзистора в электрическую цепь и управления его параметрами.

Эмиттер (излучатель) – область транзистора, которая является источником (впрыскивателем, инжектором) зарядов в базу при воздействии внешнего электрического напряжения.

База – средняя область транзистора − элемент, управляющий величиной тока, протекающего через транзистор.

Коллектор – область транзистора, предназначенная для сбора (извлечения) носителей заряда, созданных эмиттером и проходящих через базу.

Биполярный транзистор является несимметричным прибором, так как площади эмиттерного и коллекторного p-n -переходов различны. В частности площадь эмиттерного перехода меньше коллекторного. Кроме того, эмиттерная и коллекторная области имеют разную концентрацию атомов примеси. Степень легирования эмиттера намного больше, чем у коллектора. Структура реального транзистора p-n-p типа приведена на рис. 6.2.

 

Рис. 6.2. Вариант конструкции транзистора типа n-p-n

 

Процессы в базовой области обеспечивают взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов друг с другом и определяют основные свойства транзистора. Чем меньше толщина базы, тем сильнее взаимодействие эмиттера с коллектором.

В зависимости от распределения атомов примеси в базе различают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы.

Бездрейфовым называют биполярный транзистор, у которого примесь в базе распределена равномерно. В таком транзисторе внутри базы отсутствует электрическое поле, и носители заряда из-за разной концентрации на границах базы движутся только за счёт диффузии.

Дрейфовым называют биполярный транзистор, у которого примесь в базе распределена неравномерно. В этом случае электрическое поле внутри базы вызывает появление дрейфового движения носителей заряда дополнительно к диффузионному.

 

Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Рассмотрим основные физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе p-n-p -типа (рис. 6.3).

 

Рис. 6.3. Токи в бездрейфовом биполярном транзисторе p-n-p -типа при нормальном активном режиме

 

Режим работы биполярного транзисторалюбого типа, когда к эмиттерному p-n -переходу приложено прямое напряжение и переход открыт, а к коллекторному – обратное и переход закрыт, называют нормальным активным режимом (НАР). Этот режим работы используют в усилительных устройствах.

Режим работы БТ, когда эмиттерный переход закрыт, а коллекторный открыт, называют инверсным активным режимом и применяют в переключательных устройствах.

Если оба p-n -перехода закрыты, то есть к ним приложены обратные напряжения, то такой режим работы БТ называют режимом отсечки и используют его в переключательных устройствах.

Режимом насыщения называют такой режим работы БТ, когда к p-n -переходам приложены прямые напряжения и оба перехода открыты. Этот режим работы используют в переключательных устройствах.

Под действием прямого напряжения в нормальном активном режиме работы транзистора p-n-p -типа эмиттер инжектирует в базу носители заряда. Процесс инжектирования заключается в следующем:

1) дырки, существующие в области эмиттера, под действием внешнего напряжения , приложенного к p-n -переходу ЭБ, начинают двигаться от эмиттера к базе (от положительного электрода источника постоянного напряжения к отрицательному), создавая ток. Положительное направление этого электрического тока совпадает с направлением движения дырок,

2) свободные электроны, существующие в области базы, под действием того же напряжения , начинают двигаться от базы к эмиттеру (от отрицательного электрода источника постоянного напряжения к положительному), создавая ток электронов. Положительное направление электрического тока электронов противоположно направлению движения электронов.

Непосредственно в p-n -переходе ЭБ имеет место рекомбинация тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера этого перехода (рис. 6.3). Этот процесс образует первую составляющую полного тока рекомбинации базы .

Дырки, прошедшие из эмиттера в базу, повышают концентрацию дырок в базе вблизи границы эмиттерного перехода. Это приводит к появлению градиента концентрации неосновных носителей базы по толщине базы. Поэтому возникает диффузионное движение дырок поперёк базы к переходу БК (рис. 6.2, рис. 6.3). Часть дырок может рекомбинировать в базе со свободными электронами базы, создавая второй ток рекомбинации . Оставшаяся часть дырок, достигнув перехода БК и преодолев его, попадает в область коллектора и образует составляющую коллекторного тока (рис. 6.3). Этот ток является полезным током транзистора и, чем он больше, тем лучше.

Прямой ток эмиттерного перехода в этом случае будет равен

Здесь и − инжекционные токи дырок и электронов соответственно. Относительный вклад тока рекомбинации в ток эмиттерного перехода тем больше, чем меньше инжекционные токи.

Полезным здесь является только ток , так как два других тока являются составляющими тока базы.

Так как при диффузионном движении носителей заряда имеет место отклонение от прямолинейности, то площадь коллекторного перехода должна быть большой, чтобы собирать отклонившиеся дырки и тем самым увеличивать полезную составляющую коллекторного тока.

Чтобы уменьшить ток рекомбинации в базе, нужно толщину базы (размер поперечного сечения) сделать меньше диффузионной длины дырок в базе и уменьшить в базе концентрацию донорных атомов.

Для количественной оценки свойств эмиттерного перехода и величины потерь дырочного тока в базе введены понятия коэффициента инжекции эмиттера и коэффициента переноса базы.

Коэффициент инжекции, или эффективность эмиттера

показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент.

Коэффициент переноса базы

показывает, какая часть тока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу.

Доказано, что имеется приближённое соотношение

Для типичных значений толщины базы = 0,5 ÷ 0,7 мкм и средней длины свободного пробега носителя заряда = 10 ÷ 5 мкм получаем величину = 0,990 ÷ 0,999.

Поэтому можно считать, что ток коллектора в нормальном активном режиме примерно равен току эмиттера, а ток базы

значительно меньше как тока эмиттера, так и тока коллектора.

Выразим составляющую тока коллектора через ток эмиттера

где − статический коэффициент передачи тока эмиттера в нормальном активном режиме работы БТ.

Полный ток коллектора в нормальном активном режиме равен сумме тока, прошедшего от эмиттера через базу, и обратного тока p-n -перехода БК:

Отсюда с учётом формулы (6.5) получаем

Весьма часто ток коллектора выражают через ток базы. Используя формулы (6.7) и (6.8), находим

где − статический коэффициент передачи тока базы.

В инверсном активном режиме работы БТ имеет место уравнение

В уравнениях (6.7) ÷ (6.10):

− и − токи эмиттера и коллектора при нормальном включении БТ, то есть работающего в НАР, когда имеет место прямое включение эмиттерного перехода и обратное – коллекторного,

− и − токи эмиттера и коллектора при инверсном включении БТ, когда имеет место обратное включение эмиттерного перехода и прямое – коллекторного,

− и − коэффициенты передачи токов эмиттера и коллектора при нормальном и инверсном включениях БТ соответственно (),

− и − обратные тепловые токи соответствующих переходов при = 0 и = 0.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: