Устройство и принцип действия биполярного транзистора.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами элект­ропроводности, пригодный для усиления мощности. Схематически устройствотранзистора показано на рис.4.I.

Средняя область, представляющая собой полупроводник с элект­ронной или дырочной электро­проводностью, называется базой. К ней с двух сторон прилегают области с противопо­ложной электропроводностью, образуя эмиттер иколлектор транзистора, и, соответствен­но, два электронно-дырочных перехода - эмиттерный и кол­лекторный. В зависимости от чередования электропроводнос­ти областей эмиттера, базы и коллектора могут быть получены транзисторы p-n-p и n-p-n типов. На рис.4.2 показа-

но их условное графическое обозначение.

Каждый из p-n перехо­дов транзистора можно вклю­чить либо в прямом, либо в обратном направлении. В за­висимости от этого разли­чают три режима его работы:

I) Режим отсечки - эмиттерный и коллекторный электронно-дырочные переходы находятся под обратным напряжением (закрыты), через транзистор идет небольшой ток.

2) Режим насыщения - оба электронно-дырочных перехода нахо­дятся под прямым напряжением (открыты), через транзистор может протекать большой ток.

3) Активный режим - эмиттерный переход открыт, а коллектор­ный закрыт.

В режиме отсечки и насыщения управление коллекторным током транзистора практически отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно.

Принцип действия транзистора основан на использовании инжекции носителей из эмиттера в базу, переносе инжектированных носи­телей через базовую область, собирании носителей коллектором и управлении собираемой компонентой тока путем изменения тока инжекции.

В активном режиме на эмиттерный переход для обеспечения инжекции носителей подается прямое напряжение. На коллекторный переход подается обратное напряжение. Это обычное включение тран­зистора. Если эмиттер и коллектор поменять местами, т.е. коллек­тор считать эмиттером, а эмиттер - коллекторам, то такое включение называют инверсным.

В зависимости от механизма переноса инжектированных носите­лей через базовую область транзисторы подразделяются на два типа: бездрейфовые и дрейфовые. В бездрейфовых транзисторах перенос но­сителей через базу имеет преимущественно диффузионный характер. Во всех трех областях такого транзистора распределение примесей равномерное и электрическое поле в базе отсутствует (рис.4.3).

В дрейфовых транзисторах в базовой области примеси распреде­лены неравномерно: их концентрация велика у эмиттера (около ) и уменьшается в направлении к коллектору (до ) (рис.4.4). Благодаря этому в базе возникает электри­ческое поле, которое является ускоряющим для инжектированных но­сителей. Поэтому движение их от эмиттера к коллектору будет происходить как вследствие дрейфа, так и вследствие диффузии.

Рассмотрим более подробно процессы, протекающие в бездрейфо­вом биполярном транзисторе в активном режиме на примере структуры типа p-n-p.

Пусть к электродам транзистора, модель которого показана на рис.4.5, подключены питающие напряжения , . При этом эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном направлении. Соответственно высота потенциального барьера перехода эмиттер-база падает, а коллектор-база возрастает (рис.4.3,в).

Уменьшение высоты потенциального барьера эмиттерного перехода (практически на величину ) вызывает инжекцию носителей заряда через этот переход: дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер (рис. 4.5).

Уход дырок из эмиттера в базу обусловливает приток новых за­рядов от источника и в цепи эмиттера возникает составляющая тока (рис.4.5). Исчезновение дырок в эмиттеpe вследствие их объемной рекомбинации с электронами, вошедшими из базы, приво­дит к появлению дополнительного притока зарядов от источника , и возникает вторая составляющая тока эмиттера (рис.4.5). Полный ток эмиттера будет равен сумме этих токов:

При этом, если составляющая тока в дальнейшем будет сущест­венно влиять на ток коллектора , то вторая составляющая то­ка эмиттера протекает в цепи эмиттер-база и непосредствен­ного влияния на ток коллектора не оказывает.

Отношение тока дырок за эмиттерным переходом к общему, току эмиттера называют эффективностью эмиттера (или коэффициентом инжекции) , т.е.

(4.1)

Эффективность эмиттера показывает, какую часть от полного тока эмиттера составляет ток дырок, инжектируемых в базу транзистора. На основании выражения (4.1) можно записать, что . Разностный ток называют еще инжекционной составляющей базового тока , поскольку, как уже говорилось, она протекает в цепи эмиттер-база.

За счет инжекции дырок из эмиттера в базовой области возникает градиент концентрации дырок, вследствие чего они будут двигаться в сторону коллекторного перехода. Однако не все носители заряда достигнут коллекторного перехода. Часть из них исчезает за счет рекомбинации в объеме базы, на поверхности и на выводе базы (рис.4.5). В результата ток дырок у коллекторного перехода оказывается меньше тока дырок у эмиттерного перехода:

(4.2)

где - коэффициент переноса, учитывающий потерю дырок на рекомбинацию. Величина . Очевидно, что будет тем меньше, чем больше толщина базы . С учетом выражений (4.1) и (4.2) можно записать, что . Разностный ток , обусловленный рекомбинацией дырок с электронами в об­ласти базы, протекает в цепи эмиттер-база. Этот ток образует вто­рую, рекомбинационную составляющую тока базы.

Итак .

Дырки, достигшие коллекторного перехода, втягиваются полем этого перехода, которое является для них ускоряющим, и перебра­сываются в коллектор. В цепи коллектора возникает собираемая ком­понента тока

(4.3)

Величина собираемой компоненты тока коллектора, как видно из (4.3), может изменяться путем изменения тока эмиттера. Поэтому ток эмиттера можно назвать управляющим, а ток коллектора, т.е. - управляемым. Коэффициент пропорциональности между этими токами обозначают через и называют коэффициентом передачи тока эмиттера. Таким образом,

(4.4)

Для более эффективного управления током коллектора, величину стремятся сделать как можно ближе к единице. С этой целью приближают к единице и и . Физически это означает уменьшение всех составляющих тока эмитте­ра, не принимающих участия в управлении током коллектора. Для это­го, во-первых, вводят значительно большее количество примесей в эмиттер, чем в базу. Обычно соотношение концентраций составляет (рис.4.3,б). В этом случае инжекция будет носить практи­чески односторонний характер и , что и дает . Во-вторых, толщину базы транзистора делает много меньше диффузионной длины дырок , и потери дырок на рекомбинацию в области базы становятся незначительными. Коэффициент переноса приближается к единице. Дополнительно увеличивается за счет большей площади - коллекторного перехода (рис.4.1). Обычно , где - площадь эмиттерного перехода. При выполнении перечисленных условий величина практически составляет .

К отбираемой компоненте тока коллектора добавляет­ся ток - обратный ток электронно-дырочного перехода кол­лектор-база, представляющий собой неуправляемую компоненту тока коллектора. Таким образом,

(4.5)

Заметим, что ток протекает в цепи база-коллектор и поэтому является третьей составляющей базового тока, имеющей техническое направление, противоположное первым двум, т.е. и , Следовательно, можно записать базовый ток в виде суммы трех составляющих:

. (4.6)

Очевидно, что для транзистора выполняется первый закон Кирхгофа:

. . (4.7)