Принцип дії біполярного транзистора. Режими роботи.

Загальні відомості

Біполярним транзистором (БТ) називається трьохелектродний напівпровідниковий прилад з двома взаємодіючими p-n переходами, призначений для посилення електричних коливань по струму, напрузі або потужності. Слово “біполярний” означає, що фізичні процеси в БТ визначаються рухом носіїв заряду обох знаків (електронів і дірок). Взаємодія переходів забезпечується тим, що вони розташовуються достатньо близько - на відстані, меншому дифузійної довжини. Два p-n-переходи утворюються в результаті чергування областей з різним типом електропровідності. Залежно від порядку чергування розрізняють БТ типа

n-p-n (або із структурою n-p-n) і типу p-n-p (або із структурою p-n-p), умовні зображення яких показані на рисунку 3.1.

а)	б)
Рисунок 3.1 Структури БТ.

 

Структура реального транзистора типу n-p-n зображена на рисунку 3.2. У цій структурі існують два переходи з неоднаковою площею: площа лівого переходу n₁⁺-p менше, ніж у переходу n₂-p. Крім того, у більшості БТ одна з крайніх областей (n₁ з меншою площею) перетину легована набагато сильніше, ніж інша крайня область (n₂).

 

Рисунок 3.2 Структура реального БТ типу n-p-n.

 

Сильнолегированная область позначена верхнім індексом “+” (n⁺). Тому БТ є асиметричним приладом. Асиметрія відображається і в назвах крайніх областей: сильнолегированная область з меншою площею (n₁⁺) називається емітером, а область n₂ - колектором. Відповідно область (p) називається базовою (або базою). Права область n⁺ служить для перехід n₁⁺-р називають емітерним, а n₂-p колекторним. Середня зниження опору колектора. Контакти з областями БТ позначені на малюнках 3.1 і 3.2 буквами: Э - емітер; Би - база; К- колектор.

Основні властивості БТ визначаються процесами в базовій області, яка забезпечує взаємодію емітерного і колекторного переходів. Тому ширина базової області повинна бути малою (звичайно менше 1 мкм). Якщо розподіл домішки в базі від емітера до колектора однорідне (рівномірне), то в ній відсутнє електричне поле і носії здійснюють в базі тільки дифузійний рух. У разі нерівномірного розподілу домішки (неоднорідна база) в базі існує “внутрішнє” електричне поле, що викликає появу дрейфового руху носіїв: результуючий рух визначається як дифузією, так і дрейфом. БТ з однорідною базою називають бездрейфовыми, а з неоднорідною базою - дрейфовими.

Біполярний транзистор, що є триполюсним приладом, можна використовувати в трьох схемах включення: із загальною базою (Про) (рисунок 3.3,а), загальним емітером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), і загальним колектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрілки на умовних зображеннях БТ указують (як і на рисунку 3.1) напрям прямого струму емітерного переходу. У позначеннях напруг друга буква індексу позначає загальний електрод для двох джерел живлення.

У загальному випадку можливо чотири варіанти полярностей напруги переходів, що визначають чотири режими роботи транзистора. Вони одержали назви: нормальний активний режим, інверсний активний режим, режим насичення (або режим двосторонньої інжекції) і режим відсічення.

 

а)	б)	в)
Рисунок 3.3 Схеми включення БТ.

 

У нормальному активному режимі (НАР) на емітерному переході діє пряма напруга (напруга емітер - база UЭБ), а на колекторному переході - зворотне (напруга колектор - база UКБ). Цьому режиму відповідають полярності джерел живлення на рисунку 3.4 і напрями струмів для p-n-p транзистора. У разі n-p-n транзистора полярності напруги і напряму струмів змінюються на протилежні.

Рисунок 3.4 Фізичні процеси в БТ.

 

Цей режим роботи (НАР) є основним і визначає призначення і назву елементів транзистора. Емітерний перехід здійснює інжекцію носіїв у вузьку базову область, яка забезпечує практично без втрат переміщення инжектированных носіїв до колекторного переходу. Колекторний перехід не створює потенційного бар'єру для носіїв, що підійшли, стали неосновними носіями заряду в базовій області, а, навпаки, прискорює їх і тому переводить ці носії в колекторну область. “Збірна” здатність цього переходу і зумовила назву “колектор”. Колектор і емітер можуть помінятися ролями, якщо на колекторний перехід подати пряму напругу UКБ, а на емітерний -обратное UЭБ. Такий режим роботи називається інверсним активним режимом (ИАР). В цьому випадку транзистор “працює” у зворотному напрямі: з колектора йде інжекція дірок, які проходять через базу і збираються емітерним переходом, але при цьому його параметри відрізняються від первинних.

Режим роботи, коли напруги на емітерному і колекторному переходах є прямими одночасно, називають режимом двосторонньої інжекції (РДИ) або менш вдало режимом насичення (РН). В цьому випадку і емітер, і колектор инжектируют носії заряду в базу назустріч один одному і одночасно кожний з переходів збирає носії, що приходять до нього від іншого переходу.

Нарешті, режим, коли на обох переходах одночасно діють зворотні напруги, називають режимом відсічення (РО), оскільки в цьому випадку через переходи протікають малі зворотні струми.

Слід підкреслити, що класифікація режимів проводиться по комбінації напруг переходів, В схемі включення із загальною базою (Про) вони рівні напругам джерел живлення UЭБ і UКБ. У схемі включення із загальним емітером (ОЭ) напруга на емітерному переході визначається напругою першого джерела (UЭБ = -UБЭ), а напруга колекторного переходу залежить від напруг обох джерел і за загальним правилом визначення різниці потенціалів UКБ = UКЭ + UЭБ. Оскільки UЭБ = -UБЭ, то UКБ = UКЭ - UБЭ; при цьому напругу джерел живлення треба брати з своїм знаком: позитивним, якщо до електроду приєднаний позитивний полюс джерела, і негативним - в іншому випадку. У схемі включення із загальним колектором (ОК) напруга на колекторному переході визначається одним джерелом: UКБ = -UБК. Напруга на емітерному переході залежить від обох джерел: UЭБ = UЭК + UКБ = UЭК - UБК, при цьому правило знаків колишнє.