Принцип действия биполярного транзистора

Принцип действия транзистора рассмотрим на примере транзистора типа p-n-p (рис. 3.25).

В отсутствие внешних напряжений на границах раздела трех слоев образуются объемные заряды, создается внутреннее электрическое поле и между слоями действует внутренняя разность потенциалов. Потенциальный барьер в каждом из переходов устанавливается такой величины, чтобы устанавливалось равновесие диффузионного и дрейфового потоков носителей заряда, движущихся через переходы в противоположных направлениях, т.е. равенство нулю протекающих через них токов.

Внешние напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном направлении. Это достигается с помощью двух источников напряжения U_эб и U_кб (рис. 3.25). Напряжение U_эб подключается положительным полюсом к эмиттеру относительно базы, напряжение U_кб – отрицательным полюсом к коллектору относительно базы (схема включения транзистора с общей базой).

Поскольку в эмиттерном переходе П₁ внешнее напряжение U_эб действует в прямом направлении, потенциальный барьер для дырок – основных носителей заряда эмиттерного слоя – уменьшается и дырки из эмиттера под действием диффузии будут в большом количестве переходить (инжектировать) в область базы, создавая ток I_эр (рис. 3.25). Аналогичным образом увеличится диффузионный поток электронов – основных носителей заряда в базе – в эмиттер, создавая ток. Составляющая тока I_эn много меньше составляющей I_эр, так как при проектировании транзистора базовый слой делается намного более высокоомным, чем эмиттерный и коллекторный слои. Т.е. концентрация основных носителей заряда в базе много меньше концентрации основных носителей заряда в эмиттере p_p >> n_n. Общий ток в цепи эмиттера в этом случае содержит две составляющие

I_э = I_эр + I_эn.

Одним из важнейших показателей эмиттерного перехода является так называемый коэффициент инжекции g, показывающий, какую часть от полного эмиттерного тока составляет его дырочная составляющая:

g = I_эр/ I_э.

С точки зрения качества эмиттерного перехода необходимо, чтобыкоэффициент инжекцииg стремился к единице. Эту задачу решают применением высокоомного исходного полупроводника для создания базового слоя и введением большой концентрации акцепторной примеси для получения эмиттерного слоя. Для выпускаемых промышленностью транзисторов коэффициент инжекции g = 0,97-0,995.

Процессы в базовом слое определяются а основном поведением дырок, перешедших в базу через эмиттерный переход. Ввиду относительно малой толщины базового слоя (соизмеримого с длиной свободного пробега дырок и электронов) основная часть дырок, инжектированных в базу из эмиттера, подхватываются электрическим полем источника U_кб и через переход П₂ попадают в коллектор, создавая ток I_кр (рис. 3.25).

Наличие дырок и электронов в базе приводит к тому, что в процессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинирует с электронами, создавая ток I_бр (рис. 3.25). В соответствии с этим соотношение для дырочных составляющих токов транзистора имеет вид

I_эр = I_кр + I_бр.

Для определения части дырок, прошедших из эмиттера в коллектор, вводят коэффициент переноса дырок в базе, равный отношению дырочной составляющей коллекторного тока к дырочной составляющей эмиттерного тока транзистора:

d = I_кр/I_эр

Желательно, чтобы величина коэффициента d как можно меньше отличалась от единицы. Способы приближения к единице коэффициента d направлены на сокращение потерь дырок в базе за счет актов рекомбинации. Это достигается сокращением времени нахождения дырок в базе (уменьшением толщины базового слоя) и увеличением скорости их прохождения через базу. Типовые значения d для транзисторов лежат в пределах 0,96-0,996.

Коллекторный ток транзистора связан с током эмиттера I_э коэффициентом передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ) a:

a = I_кр/ I_э.

Умножив числитель и знаменатель последнего выражения на I_эр, получим

a = (I_эр/ I_э)( I_кр/ I_эр) =g d.

Следовательно, коэффициент a тем ближе к 1, чем меньше отличаются от 1 коэффициенты g и d. Для современных транзисторов коэффициент передачи a составляет 0,9-0,999 и имеет некоторую зависимость от температуры.

Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению дополнительной неуправляемой составляющей тока коллектора, обусловленной протеканием обратного тока коллекторного перехода I_ко (рис. 3.25). Обратный ток создается дрейфом неосновных носителей заряда из близлежащих областей обратно включенного p-n-перехода, в данном случае дырками, концентрацией p_n в базе, и электронами, концентрацией n_p в коллекторе. Поскольку концентрации неосновных носителей зависят от температуры, величина обратного тока также зависит от температуры, поэтому этот ток часто называют тепловым. От величины тока эмиттера I_ко не зависит.

Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока I_к под действием подводимого входного тока I_э, обуславливается изменением дырочной составляющей коллекторного тока I_кр за счет изменения дырочной составляющей эмиттерного тока I_эр. Таким образом, принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (выходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа:

I_э = I_к + I_б.

С учетом теплового тока I_ко и соотношения (1) токи I_к и I_б можно выразить через I_э:

I_к = aI_э + I_ко, (3.1)

I_б = (1-a)I_э - I_ко.

Различают три основные режима работы биполярного транзистора:

1. Активный режим – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

2. Режим глубокой отсечки – оба перехода транзистора смещены в обратном направлении с помощью внешних напряжений. Ток коллектора при этом имеет минимальное значение, равное току p-n-перехода смещенного в обратном направлении. Ток эмиттера имеет противоположный знак и значительно меньше тока коллектора и его принимают равным нулю. Ток база примерно равен току коллектора.

Режим глубокой отсечки характеризует запертое состояние транзистора, в котором его сопротивление максимально, а токи электродов минимальны. Он широко используется в импульсных устройствах, где транзистор играет роль электронного ключа.

3. Режим насыщения – оба перехода с помощью приложенных внешних напряжений смещены в прямом направлении. При этом падение напряжения на транзисторе (U_кэ) минимально и оценивается десятками милливольт. Режим насыщения возникает тогда, когда ток коллектора ограничен параметрами внешнего источника энергии и при данной схеме включения не может превысить какое-то значение I_{k max}. В то же время параметры источника внешнего сигнала взяты такими, что ток эмиттера существенно больше максимального значения тока коллектора: I_{k max}<aI_э.

Из сказанного ясно, что, для того чтобы транзистор из активного режима перешел в режим насыщения, необходимо увеличить ток эмиттера так, чтобы начало выполняться последнее условие.

Свойства транзисторов описываются системой характеристик и параметров. К основным параметрам транзисторов относятся следующие:

1. I_{к макс} - максимально допустимый коллекторный ток;

2. U_{кэ макс} (U_{кб макс}) - максимально допустимые напряжения коллектор-эмиттер или коллектор-база;

3. Р_{к макс} - максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе;

4. b(a) - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (с общей базой);

5. I_ко - обратный коллекторный ток.