Структура биполярных транзисторов и принцип действия

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

 

Транзистором называют активный полупроводниковый прибор, используемый для усиления или генерирования электрических сигналов.

В переводе с английского составное слово «транзистор» означает «преобразователь сопротивлений». В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на биполярные и полевые.

Биполярные транзисторы – это полупроводниковые приборы с двумя встречно-направленными p - n -переходами, созданными в одном кристалле, и тремя внешними выводами. В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков; в полевых (часто называемых униполярными) – протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака. В качестве полупроводниковых материалов для изготовления транзисторов используют преимущественно кремний, германий и арсенид галлия.

 

Схемы включения транзисторов

 

Различают три схемы включения транзистора в зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входного и выходного сигналов
(рис. 6.2): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Первый закон Кирхгофа применительно к транзистору дает равенство

 

                          ,                             (6.1)

 

т.е. ток эмиттера в транзисторе распределяется между базой и коллектором.

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы нагрузки обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току.

 

Рис. 6.2. Основные схемы включения транзисторов

Входные сигналы переменного тока создаются источниками U_вх. Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора, и ток базы согласно уравнению (6.1), т.е.

                   .           (6.2)

 

Режимы работы транзистора

 

В зависимости от выполняемых в схеме функций транзисторы могут работать в трех режимах: активном, отсечки и насыщения. Соответственно анализ статических выходных характеристик позволяет выделить три области характерных состояний транзистора: активная область, область отсечки и область насыщения. На рис. 6.5, б показаны приближенно границы всех областей работы транзистора в схеме с общим эмиттером (1 – активная область; 2 – область отсечки; 3 – область насыщения), и все рассуждения ниже будут относиться к транзистору p-n-p в схеме с общим эмиттером.

Активная область – область, в которой транзистор обеспечивает линейное усиление по мощности. И все ранее описанное в данной главе относится к работе транзистора в активной области.

Область отсечки – область, в которой оба перехода закрыты, т.е. оба перехода включены в обратном направлении. Например, для схемы с ОЭ (рис. 6.2) основным признаком работы в этой области является дополнительное условие I_б £ 0, при этом возможны два следующих случая.

1. Холостой ход в цепи базы, т.е. ток базы I_б = 0 или

R_б = ¥. При этом сквозной ток I_кэо = I_кбо / (1 – a).

2. Эмиттерный переход заперт, и ток I_б < 0, тогда I_к» I_кбо.

Токи I_кэо и I_кбо можно считать параметрами режима отсечки. Напряжение на коллекторе в этом режиме почти равно E_к (напряжение на коллекторной батарее), а напряжение на нагрузке близко к нулю.

Область насыщения – область, в которой оба перехода включены в прямом направлении, при этом начинается встречная инжекция носителей обоих знаков через оба перехода и база сильно насыщается неосновными для нее носителями (отсюда происходит название области). В этом режиме в коллекторной цепи протекает ток насыщения I_{к нас}, который определяется из выражения I_{к нас}» E_к / r_к. В режиме насыщения почти все напряжение батареи E_к приложено к нагрузке, а остаточное напряжение на коллекторе мало (0,1 – 1 В).

Кроме перечисленных выше трех основных областей (соответственно трех режимов работы), иногда рассматривается еще область умножения (рис. 6.5, б, область 4) и инверсный режим работы. В области умножения используется режим лавинного умножения неосновных носителей в коллекторном переходе. Соответствующим выбором напряжения питания E_к транзистора и величины сопротивления нагрузки R_н в его выходной цепи можно получить режим переключения при переходе из области отсечки в область умножения и обратно.

В инверсном режиме эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт, т.е. транзистор включен «наоборот»: коллектор работает в роли эмиттера и наоборот. Из-за особенностей конструкции реальных транзисторов усилительные свойства в инверсном режиме, как правило, неудовлетворительные.

 

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

 

Транзистором называют активный полупроводниковый прибор, используемый для усиления или генерирования электрических сигналов.

В переводе с английского составное слово «транзистор» означает «преобразователь сопротивлений». В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на биполярные и полевые.

Биполярные транзисторы – это полупроводниковые приборы с двумя встречно-направленными p - n -переходами, созданными в одном кристалле, и тремя внешними выводами. В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков; в полевых (часто называемых униполярными) – протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака. В качестве полупроводниковых материалов для изготовления транзисторов используют преимущественно кремний, германий и арсенид галлия.

 

Структура биполярных транзисторов и принцип действия

 

Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода – плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных транзисторов p-n-p и n-p-n- типов показаны на рис. 6.1.

Биполярный транзистор имеет три области: эмиттер, базу и коллектор – и два p-n- перехода: эмиттерный (на границе областей эмиттер–база) и коллекторный (на границе областей база–коллектор). Базовая область (база Б) – область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) – область, назначение которой – инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n- типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжектируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n- типа – электронами.

На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода – обратную ветвь.

Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:

1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей L _б, т.е. W = 1,5 – 25 мкм < L_б.

2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.

3. Концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.

4. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Все положения, рассмотренные ранее для одного p-n- перехода, справедливы для каждого из p-n- переходов транзистора. В отсутствие внешнего напряжения наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через p-n- переходы, и общие токи равны нулю.

 

Рис. 6.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p- типа; б) n-p-n- типа; в) распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W – толщина базы

 

Транзистор p-n-p- типа в активном режиме включения показан на рис. 6.1, а. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный – в обратном. При этом через эмиттерный переход должен протекать большой прямой ток I_э, а через коллекторный переход – малый обратный ток коллектора I_кбо.

Основные носители заряда в эмиттере – дырки – диффундируют из-за разности концентраций в базу, становясь там неосновными носителями. Процесс перехода носителей зарядов из эмиттера в базу называют инжекцией. По той же причине электроны из области базы диффундируют в область эмиттера, поэтому ток диффузии эмиттера имеет две составляющие – дырочную I_эр и электронную I_эn: I_э = I_эр + I_эn. Так как концентрация электронов в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то дырочный ток I_эр преобладает над электронным током из базы I_эn, т.е. I_эр >> I_эn, поэтому можно принять, что ток базы I_б» I_эр.

Инжекция эмиттерного перехода оценивается коэффициентом инжекции g (называется иногда эффективностью эмиттера), который равен отношению эмиттерного тока, обусловленного основными носителями эмиттера I_эр, к общему току эмиттера I_э, созданного как основными носителями эмиттерной области I_эр, так и основными носителями базовой области I_эn:

.

 

Для увеличения коэффициента инжекции составляющую I_эn стремятся сделать по возможности малой.

Дырки, попавшие в базу из эмиттера, перемещаются под действием их градиента концентрации к коллекторному переходу. Одновременно в базе происходит частичная рекомбинация инжектированных дырок с электронами (основными носителями в базе). Так как база выполняется довольно тонкой, т.е. соблюдается условие W << L_б, а площадь коллекторного перехода в несколько раз больше площади эмиттера, то на коллектор попадает большинство инжектируемых эмиттером дырок.

 

Разность между дырочным током через эмиттерный I_эр и коллекторный переходы I_кр составляет ток рекомбинации дырок I_rp:

,

 

а отношение этих токов определяет коэффициент переноса c неосновных носителей через базу:

 

.

 

Это означает, что 95 ÷ 99 % носителей, инжектируемых эмиттером, достигает коллекторного перехода.

Приближаясь к обратно смещенному коллекторному переходу, дырки дрейфуют через переход под действием его поля в область коллектора. При этом ток коллектора будет равен

 

,

 

где - обратный, или тепловой ток коллекторного перехода;

.

Так как ток  незначителен, то

 

.

 

Коэффициент α называется коэффициентом передачи тока эмиттера.

Так как g <1 и c < 1, то коэффициент передачи тока эмиттера α также меньше единицы.

Нередко используется еще статический коэффициент передачи тока базы, равный

 

.

 

Зачастую коэффициенты a и b называются интегральными коэффициентами.