Краткие теоретические сведения.

Биполярный транзистор является прибором с двумя р-n переходами (рис. 1). Поэтому, для понимания процессов в БТ, необходимо изучить основные типы контактов в электронике (л.р. № 1 и л.р. № 2).

 

 

На рис. 1 изображён БТ со структурой n⁺ – р – n, хотя возможна, но менее распространена, и p⁺ – n - p структура. В работе этих структур принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия: n⁺ – эмиттер (область, “испускающая” носители); р – база и n (на рис. 1 – область справа) – коллектор (т.е. область, “собирающая” носители). Каждая область снабжена омическими контактами металл-полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название “эмиттерный переход” (ЭП), между базой и коллектором – “коллекторный переход” (КП).

Важнейшими особенностями конструкции являются:

1) малая толщина базы, не более 0,5 мкм;

2) малая концентрация примеси в базе (порядка 10¹⁶ см^-3);

3) большая концентрация примеси в эмиттере, до 10²⁰ см^-3.

Только при соблюдении перечисленных условий БТ способен проявлять свои главные свойства: усиливать электрические сигналы, а также работать в режиме ключа.

На рис. 2 изображена одна из распространённых схем включения БТ – схема с общей базой (здесь база – общий электрод и для входной и для выходной цепи).

 

Наиболее распространённый усилительный (активный) режим здесь создаётся двумя внешними напряжениями:

1) U_ЭБ – входное напряжение, прямое для эмиттерного перехода;

2) U_КБ – выходное напряжение, обратное для коллекторного перехода.

В открытом ЭП, благодаря прямому напряжению, понижается потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток основных носителей I_Э. При этом I_Э имеет электронную I_Эn и дырочную I_Эp составляющие. Так как концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, I_Эn >> I_Эp. Поэтому в ЭП наблюдается практически односторонний ток свободных электронов в базу, (так называемая инжекция). Свободные электроны в базе являются неосновными носителями. Так как их больше вблизи ЭП, откуда они поступают, в базе возникает градиент концентрации dn/ dw и неосновные носители диффундируют к КП (диффузионный транзистор). КП заперт напряжением U_КБ, поэтому его электрическое поле для неосновных носителей – ускоряющее. Благодаря этому они извлекаются   из базы в коллектор (экстракция). Появляется полезный выходной ток I_К.

Так как база тонкая и слаболегированная, при продвижении неосновных носителей через базу только небольшая их часть рекомбинирует с основными носителями базы (не более 1…2%). В противном случае наблюдалось бы значительное уменьшение выходного тока I_К.

Рекомбинация в базе несколько уменьшает концентрацию её основных носителей — дырок. Электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной примеси. Этот заряд создаёт так называемый рекомбинационный ток в выводе базы I_БРЕК. Еще одна составляющая тока базы легко обнаруживается при разорванной цепи эмиттера. Тока в ЭП при этом нет, но в КП протекает небольшой по величине обратный ток коллектора I_КБ0, создаваемый обратным напряжением U_КБ.

Таким образом, в указанном режиме в БТ действительны следующие соотношения токов:

 

I_Э = I_К + I_Б (закон Кирхгофа для БТ, рассматриваемого как узел цепи) (1)

 

I_Б = I_БРЕК – I_КБ0                                                                                                                                           (2)

 

I_К = α I_Э + I_КБ0                                                                                                                                            (3)

 

В кремниевых транзисторах, наиболее распространённых сегодня, I_КБ0 пренебрежимо мал, поэтому из (3) следует: .

Статический коэффициент передачи эмиттерного тока α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением

,                                                        (4)

где R_Н –сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи; r_Э - сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое.

Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), R_Н может на несколько порядков превышать r_Э. Поэтому, согласно (4), К_Р может достигать многих тысяч раз.

На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции.

Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции

,                                    (5)

 где I_Эn – полезный ток инжекции;

I_Эр – бесполезный встречный дырочный ток;

N_Эи N_Б – концентрация примесей в базе и эмиттере.

Увеличивая N_Э, можно получить γ = 0,999 и более.

Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса , который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:

                                                        (6)

Этот коэффициент тем ближе к идеальному значению — единице, чем тоньше база и меньше степень её легирования (меньше концентрация примесей). Перемножив (5) на (6) получим:

                                        (7)

Увеличению коэффициента усиления способствует также неоднородное легирование базы: примесей вводят больше вблизи ЭП, с уменьшением концентрации к КП. В такой базе нескомпенсированных ионов примеси, появляющихся из-за рекомбинации основных и неосновных носителей больше вблизи ЭП. В результате в базе возникает собственное электрическое поле, рис. 3.

 

Нетрудно убедиться, что собственное поле в такой базе – ускоряющее для неосновных носителей и сила Кулона F_K заставляет их дрейфовать к КП и в результате пересекать базу быстрее (дрейфовый транзистор). Поэтому время пребывания в такой базе (время пролёта) меньше, вероятность рекомбинации и потери из-за неё меньше, частотные и импульсные свойства – лучше.

Более точный анализ процессов в БТ приводит к следующим, более точным соотношениям, которые используются в расчётах в настоящей работе.

,                                 (8)

где D_Б, D_Э – коэффициенты диффузии в эмиттере и базе;

    N_Б, N_Э – концентрация примесей в эмиттере и базе;

    w – толщина базы;

    L_Э, L_Б – средняя диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере и базе;

    η – коэффициент неоднородности базы (в бездрейфовом БТ с однородной базой η = 0, в дрейфовом транзисторе η = 2...3).

Коэффициент переноса более точно рассчитывается по формуле:

                                   (9)

 

В настоящей работе определяется статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером β (она наиболее распространённая)

 β                    (10)

 В число рассчитываемых параметров включается также предельная частота передачи тока в схеме с ОБ

,  ,                       (11)

– время пролёта базы неосновными носителями.

В настоящей работе БТ рассматривается несколько упрощённо. В наиболее точном и сложном описании БТ, в модели программы PSPICE, насчитывается до 60 параметров.