Вопрос 27

Биполярный транзистор. Принцип действия: физические процессы при взаимодействии электрических переходов. Система обозначений биполярных транзисторов.

Биполярный транзистор – трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя p–n-переходами. Он состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих электропроводность различных типов. В зависимости от последовательности чередования n- и p-областей различают транзисторы n–p–n- и p–n–p-типов. На практике используются транзисторы обоих типов; принцип действия их одинаков. Основными носителями заряда в транзисторе n–p–n-типа являются электроны, а в p–n–p- транзисторе – дырки. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то чаще используют транзисторы n–p–n-типа. На рис. 6.1, а изображена идеализированная структура биполярного n–p– n-транзистора. На рис. 6.1, б приведено его условное графическое обозначение. На рис. 6.1, в, г показаны структура и условное графическое обозначение p–n– p-транзистора. Заметим, что n–p–n- и p–n–p-транзисторы имеют обратные полярности напряжений. Соответственно противоположные направления имеют и токи. а б в г Рис. 6.1 Центральная область транзистора, называемая базой, заключена между коллектором и эмиттером. Толщина базы мала и не превышает нескольких микрон. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным. Симметричные структуры биполярных транзисторов, показанные на рис. 6.1, являются идеальными. Структура реального транзистора несимметрична (рис. 6.2). Площадь коллекторного перехода значительно больше, чем I б Iк Iэ Iб Iк Iэ эмиттерного. Рис. 6.2 Каждый из p–n-переходов транзистора может быть смещён либо в прямом, либо в обратном направлениях. Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Принцип действия транзистора заключается в том, что 2 р-п перехода расположены настолько близко друг к другу, что происходит взаимное их влияние, вследствие чего они усиливают электрические сигналы.

Рис. 5.

Как показано на рис., это три области – п-, р- и п. (В принципе может быть и наоборот: р-, п-, р-; все рассуждения относительно такого транзистора будут одинаковы, различие только в полярностях напряжений, такой транзистор называется р-п-р, а мы для простоты будем рассматривать п-р-п, изображённый на рис.)

Итак, на рис. изображены три слоя: с электронной электропроводностью, причём сильной, что обозначает плюс - эмиттер, дырочной - база, и снова электронной, но более слабо легированной (концентрация электронов самая малая) – коллектор. Толщина базы, т.е. расстояние между двумя р-п переходами, равное Lб, очень мала. Она должна быть меньше диффузионной длины электронов в базе. Это от единиц до десятка мкм. Толщина базы должна быть не более единиц мкм. (Толщина человеческого волоса 20-50 мкм. Отметим также, что это близко к пределу разрешения человеческого глаза, так как мы не можем видеть ничего меньшего, чем длина волны света, т.е. примерно 0, 5 мкм). Все остальные размеры транзистора не более примерно 1 мм.

К слоям прикладывают внешнее напряжение так, что эмиттерный р-п переход смещён в прямом направлении, и через него протекает большой ток, а коллекторный р-п переход смещён в противоположную сторону, так что через него не должен протекать ток. Однако вследствие того, что р-п переходы расположены близко, они влияют друг на друга, и картина меняется: ток электронов, прошедший из эмиттерного р-п перехода, протекает дальше, доходит до коллекторного р-п перехода и электрическим полем последнего электроны втягиваются в коллектор. В результате у хороших транзисторов практически весь ток коллектора равен току эмиттера. Потери тока очень незначительны: проценты и даже доли процента.

Биполярный транзистор можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3, а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3, б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3, в). В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает электрод, общий для обоих источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: активный режим, инверсный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)
б)	в)
Рис. 3.3. Схемы включения БТ: а) с ОБ; б) с ОЭ; в) с ОК.

В активном режиме к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение (напряжение эмиттер – база UЭБ), а к коллекторному переходу - обратное (напряжение коллектор – база UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания и направления токов для p-n-p-транзистора, представленные на рисунке 3.3. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Эмиттерный переход осуществляет инжекцию дырок в тонкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот,

Рис. 3.4. Физические процессы в БТ

ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. «Собирательная» способность этого перехода и обусловила название «коллектор».

Если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный - обратное UЭБ, то такой режим работы называется инверсным режимом. В этом случае транзистор «работает» в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных, т.к. концентрация примесей в коллекторе значительно меньше, чем в эмиттере и площади переходов различны.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции или режимом насыщения. В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу, и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки, так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений на переходах. В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания UЭБ и UКБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (UЭБ = -UБЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и определяется по общему правилу определения разности потенциалов UКБ = UКЭ + UЭБ. Т.к. UЭБ = -UБЭ, тo UКБ = UКЭ - UБЭ; при этом напряжения источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным - в противном случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: UКБ = -UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ = UЭК + UКБ = UЭК - UБК, при этом правило знаков прежнее.

Токи в транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы включения с общей базой (рисунок 2.33), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выборp-n-p-транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В активном режиме на эмиттерном переходе действует прямое напряжение UЭБ. Прямой ток перехода при этом равен:

, (3.1)

где IЭ р, IЭ n – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а IЭ РЕК - составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода IЭ в тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие IЭ р и IЭ n, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n-перехода. Если вклад IЭ РЕК незначителен, то вместо (3.1) можно записать:

. (3.2)

В сумме токов выражения (3.2) полезной является только составляющая IЭр, так как она будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. «Вредные» составляющие тока эмиттера IЭ n и IЭ РЕК протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты IЭ n, IЭ РЕК должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера:

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током IЭ РЕК:

. (3.4)

Коэффициент инжекции  Э тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение IЭ n/ IЭ р. Величина (IЭ n/ IЭ р) < < 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p-транзистора NАЭ на несколько порядков выше концентрации доноров NДБ в базе (NАЭ > > NДБ). Это условие, как правило, выполняется в транзисторах.

Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок - неосновных носителей базы. Этот градиент обуславливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок IБ РЕК, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок будет равен:

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение  Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами - основными носителями базовой области. Ток

IБ РЕК одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток IБ РЕК следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей IЭ n.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить  Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров NДБ. Это совпадает с требованием NАЭ> > NДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы WБ и диффузионной длины дырок в базовой области LpБ. Доказано, что имеется приближенное соотношение:

. (3.7)

Например, при WБ/Lp Б = 0, 1  Б = 0, 995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.6):

(3.8)

С учетом (3.4) и (3.6) получим

, (3.9)

где

. (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называют статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую IКБО, которая протекает в цепи коллектор – база при IЭ = 0 (холостой ход, «обрыв» цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычном p-n-переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.9):

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (IК – IКБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, IК р. Обычно рабочие токи коллектора IК значительно больше IКБ0, поэтому

. (3.13)

С помощью рис. 3.4 можно представить ток базы в виде:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки:

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, IК и IБ принципиально меньше тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы:

. (3.16)

Используя (3.11) и (3.16), получаем связь тока базы с током эмиттера:

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (IЭ = 0, холостой ход), то IБ = - IКБ0, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I*Э = IКБ0 /(1-) ток IБ = 0, а при дальнейшем увеличении тока эмиттера IЭ (IЭ> I*Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь IК с IБ. Используя (3.11) и (3.17), получаем:

, (3.18)

где

; (3.19)

- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение  обычно близко к единице, то  может быть значительно больше единицы ( > > 1). Например, при  = 0, 99  = 99. Из (3.19) можно получить соотношение:

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент  есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (IК - IКБ0) к управляемой части базового тока

(IБ + IКБ0).

Все составляющие последнего выражения зависят от IЭ и обращаются в нуль при IЭ = 0. Введя обозначение:

, (3.21)

можно вместо (3.19) записать:

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭ0: это значение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ = 0) или при «обрыве» базы. При IБ = 0

IК = IЭ, поэтому ток IКЭ0 проходит через все области транзистора и является «сквозным» током, что и отражается индексами «К» и «Э» (индекс «0» указывает на условие IБ = 0).