Биполярные транзисторы. 3.1. Устройство и принцип действия

3.1. Устройство и принцип действия

Транзистором обычно называют полупроводниковый электропреобразовательный прибор с двумя или более электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления электрических сигналов. Структура его содержит три области с чередующимся типом электропроводности p-n-p или n-p-n

(рис. 3.1), а условное обозначение показано на рис. 3.2.

Рис. 3.1 Рис. 3.2

Одна из крайних областей называется эмиттером (Э) и служит инжектором основных носителей в среднюю область, другая крайняя область предназначена для экстракции носителей из средней области и носит название коллектора (К). Средняя область называется базой (Б), является управляющей и образует два электронно-дырочных перехода − эмиттерный и коллекторный. Эмиттерный переход является управляющим по отношению к коллекторному, при этом инжектированные через эмиттерный переход носители могут дойти до коллекторного перехода через управляющую область.

Рассмотрим работу транзистора структуры p-n-p в активном режиме (АР), т.е. когда эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (рис. 3.3).

Рис. 3.3

В результате снижения потенциального барьера эмиттерного перехода происходит инжекция дырок в область базы и затем, вследствие возникшего градиента концентрации, – диффузионное движение в сторону коллекторного перехода. Часть носителей рекомбинирует в области базы и на её поверхности, а остальные дырки доходят до коллекторного перехода и втягиваются под воздействием ускоряющего поля U_кб в область коллектора, т.е. происходит их экстракция. При этом в область коллектора поступает такое же количество электронов от источника U_кб. Таким образом, через эмиттерный и коллекторный переход протекают токи I_Э и I_К соответственно, направления которых в выводе базы противоположны. Ширина базы транзистора выбирается такой, чтобы время жизни носителей в базе было больше их времени пребывания в базе, поэтому их рекомбинация невелика, и ток коллектора незначительно отличается от тока эмиттера. Рассмотрим эти процессы более подробно.

В активном режиме в транзисторе типа p-n-p протекают сле­дующие процессы:

– инжекция основных носителей области эмиттера дырок через эмиттерный переход в область базы, а электронов из базы в область эмиттера;

– диффузионное перемещение инжектированных в базу дырок,
которые являются там неравновесными неосновными носителями,
от эмиттерного перехода до коллекторного. Перемещение сопровождается процессом рекомбинации части дырок с основными носи­телями в базе – электронами. При этом из внешней цепи в базу поступают электроны, которые поддерживают электрическую нейтральность во всем объеме базы, и возмещают в ней убыль электронов вследствие их рекомбинации;

– экстракция дырок, подошедших к коллекторному переходу под

воздействием его ускоряющего поля в область коллектора.

Каждый из перечисленных процессов характеризуется соответствующим параметром.

В транзисторе типа n-p-n механизм инжекции и диффузии носителей сохраняется тот же, что и в транзисторе типа p-n-p, но рабочий ток создаётся в этом транзисторе не дырками эмиттерной области, а электронами.

В транзисторах обычно концентрация примесей, а, следовательно, и основных носителей в эмиттерной области значительно больше, чем в области базы. По­этому в транзисторе типа p-n-p концентрация неосновных носителей определяется из условия:

.

Полный ток через эмиттерный переход

, (3.1)

где I_эр− дырочный ток,

I_эn − электронный ток,

I_эо −− обратный ток эмиттерного перехода.

Основную часть полного тока составляет дырочный, созданный
инжекцией дырок из эмиттера в базу. Этот ток является рабочим,
так как он определяет ток в выходной коллекторной цепи, в которую
обычно включают сопротивление нагрузки. Ток, создаваемый ин­жекцией электронов из базы в эмиттер, замыкается во входной
цепи эмиттер-база, где служит источником потерь. В коллектор­ную цепь он не поступает. Эти процессы характеризуются коэффициентом инжекции γ (или иначе эффективностью эмиттера), опре­деляемым отношением полезного (дырочного) тока через эмиттер­ный переход к общему прямому току, т.е. к сумме дырочной и электронной составляющих:

. (3.2)

Учитывая, что толщина базы гораздо меньше диффузионной длины дырок в базе L_pб после преобразований получим:

, (3.3)

В этом выражении и − удельные электрические проводи­мости соответственно базы и эмиттера; − толщина базы; − диффузионная длина электронов в области эмиттера. Таким образом, для получения высокого значения коэффициента инжекции , приближающегося к единице, необходимо выполнить три условия: во-первых, << , для чего концентрация донорных примесей, вносимых в базу, должна быть на несколько порядков меньше концент­рации акцепторных примесей в эмиттере; во-вторых, толщина ба­зовой области должна быть мала, и, нако­нец, в-третьих, время жизни электронов в эмиттере , пропорцио­нальное квадрату их диффузионной длины , должно быть велико. В транзисторах можно получить коэффициент инжекции поряд­ка 0,995 и выше. Выражение (3.3) действительно лишь для малых концентраций инжектированных носителей.

Коллекторное напряжение в основном падает на коллекторном переходе, имеющем боль­шое обратное сопротивление. Падением напряжения в базовой об­ласти в первом приближении можно пренебречь и считать движе­ние инжектированных дырок, которые являются в базе неравновес­ными носителями, чисто диффузионным, возникающим благодаря наличию градиента концентрации дырок в базе dp/dx. Параметром, характеризующим перенос неравновесных неосновных носителей в базе, служит коэффициент переноса α_п (или иначе эффективность пе­реноса), определяемый как отношение тока I_кр неосновных носителей, подошедших к коллекторному переходу, к току I_эр неосновных носителей, инжектированных из эмиттера в базу (т. е. дырок в p-n-p-транзисторе): . (3.4)

Токи I_эри I_крпропорциональны градиентам концентрации соот­ветственно

при х = 0 и x = .

Из уравнения непрерывности можно найти коэффициент переноса:

,(3.5)

где L_pб – диффузионная длина дырок в базе.

Чтобы получить большие значения , приближающиеся к еди­нице, следует уменьшить вероятность рекомбинации неосновных носителей в базе, для чего нужно, во-первых, уменьшить толщину базы w_б и, во-вторых, увеличить диффузионную длину дырок в базе L_pб. Последнее достигается уменьшением концентрации донорных примесей, а, следовательно, и электронов в базе. Неравновесные но­сители заряда – дырки, подошедшие к коллекторному переходу, экстрагируются его ускоряющим электрическим полем в область коллектора. Можно считать, что все внешнее обратное коллектор­ное напряжение прикладывается к переходу, и падением на­пряжения в областях коллектора и базы можно пренебречь.

При значениях порядка 10 В в переходе создаётся сильное элект­рическое поле напряженностью около 10⁴ В/см. Одновременно происходит встречная экстракция неосновных носителей коллекторной и базовой области. Ток, создаваемый этими носителями, называет­ся обратным током коллекторного перехода I_ко,; он является вредным, так как увеличивая концентрацию электронов в области базы, усиливает в ней рекомбинацию дырок (уменьшает L_pб) и уменьшает коэффициент переноса. Величина тока I_К0 не зависит от эмиттерного тока I_эр и им не управляется.

Экстракция неосновных носителей базы через коллекторный переход характеризуется коэффициентом, указывающим на эффективность коллектора:

= I_К / I_КР, где I_К – полный, управляемый ток через коллекторный переход. В плоскостных транзисторах обычно­го типа ≈ 1. Коэффициент оказы­вается больше единицы в так называемых лавинных транзисторах, в которых осуществляется умножение потока носителей внутри коллекторного пе­рехода в результате многократных столкновений c атомами решетки.

Интегральным коэффициентом передачи эмиттерного тока назы­вается отношение

(3.6)

Из изложенного выше следует, что

(3.7)

Распределение токов в цепях транзистора типа p-n-p в общем
случае показано на рис. 3.3. Здесь стрелки внутри
транзистора указывают направление движения носителей заряда
(электронов или дырок), а стрелки во внешних цепях – направле­ние электрических токов. Ток через эмиттерный переход равен
сумме дырочного и электронного токов инжекции через переход
. (3.8)

В эмиттерной области вдали от перехода, где инжектированные электроны полностью рекомбинируют, ток принимает чисто дырочный характер, а во внешней цепи он будет создаваться электронами.

Ток через коллекторный переход I_к состоит из тока экстракции неравновесных дырок из базы в коллектор через переход:

(3.9)

и тока экстракции неосновных носителей области коллектора (электронов) через переход, т.е. обратного тока коллекторного пере­хода . При более точном рассмотрении ток должен был бы содержать и дырочную составляющую, созданную неосновными носи­телями базы (дырками), но при > этим током по сравнению с электронной составляющей можно пренебречь;

двух до­полнительных токов: электронного, направленного электрическим полем в переходе в сторону базы, и дырочного, направленного в сто­рону коллектора и возникающих при наличии лавинного умножения носителей в результате ударной ионизации в коллекторном переходе. По величине эти токи одинаковы.

Таким образом, результирующий ток в коллекторной области

. (3.10)

Ток, протекающий через вывод базы, равен разности эмиттерно­го и коллекторного токов:

. (3.11)

Из полученной формулы следует, что ток базы может изменять свое направление. При малых значениях входного напряжения ток меньше , не зависящего от , и направление тока будет противоположно, показанному на рис. 3.3 . При используе­мых на практике значениях

(3.12)

Коэффициент передачи по току, приводимый в справочниках, чаще всего является дифференциальным параметром:

при U_КБ = const. (3.13)

Он связан со статическим следующим соотношением, которое получается при дифференцировании выражения (3.10):

. (3.14)

Их отличие незначительно, и с достаточной точностью можно считать статический коэффициент равным дифференциальному:

. (3.15)

Несмотря на то, что < 1, транзистор является усилительным прибором, так как коэффициент усиления по мощности:

, (3.16)

где – дифференциальное сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода;

– дифференциальное сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода.

Кроме рассмотренного активного режима работы (АР), транзистор в ряде случаев может работать в режиме отсечки (РО) или в режиме насыщения (РН).

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении и через них протекают обратные токи, обусловленные процессами тепловой генерации носителей в объеме полупроводника в областях объёмного заряда и на невыпрямляющих контактах, а также токи утечки. При больших напряжениях происходит лавинное размножение носителей.

В режиме насыщения в прямом направлении включен не только эмиттерный, но и коллекторный переход. Основными процессами в этом режиме являются накопление носителей в базе и их интенсивная рекомбинация. В режиме насыщения ток базы может быть сравним с током эмиттера.

В некоторых случаях используется инверсный режим работы, т.е. такой, когда эмиттерный переход смещается в обратном направлении, а коллекторный – в прямом, т.е. функции коллектора и эмиттера меняются местами.

В зависимости от того, какой вывод транзистора при использовании его в схеме является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис 3.4, а, б, в).

а б в

Рис. 3.4

Для оценки усилительных свойств транзистора чаще всего, как это мы видели, используется такой параметр как коэффициент передачи по току .

Для схемы с общей базой (рис. 3.4, а) = 0,90…0,995. В зависимости от сопротивления нагрузки коэффициент усиления по напряжению имеет величину от нескольких десятков до нескольких сотен единиц. Эта схема имеет самое низкое входное (единицы-десятки ом) и самое высокое выходное (сотни килоом-мегаомы) сопротивление, не изменяет фазу усиливаемого сигнала, является наиболее высокочастотной и обладает малыми нелинейными искажениями.

Схемас общим эмиттером (рис. 3.4, б) характеризуется коэффициентом передачи по току =I_к / I_б, составляющим величину от нескольких десятков до нескольких сотен единиц. Коэффициент усиления по напряжению –десятки – сотни, фаза усиливаемого сигнала изменяется на противоположную. Входное сопротивление находится в пределах от сотен ом до единиц килоом, выходное – десятков – сотен килоом.

Третьей схемой включения является схема с общим коллектором (рис. 3.4, в), имеющая самое высокое входное (десятки килоом – мегаомы), самое низкое выходное сопротивление (единицы – десятки ом), не изменяет фазу передаваемого сигнала. Коэффициент передачи по току примерно такой же, как в схеме с общим эмиттером, однако данная схема не даёт усиления по напряжению, поэтому называют её еще эмиттерный повторитель. Коэффициент передачи по напряжению К_u = 0,90…0,99.

Чаще всего в усилителях используется схема с общим эмиттером, которая даёт наиболее высокое усиление по мощности.

Связь между коэффициентами передачи по току для разных схем включения устанавливается с помощью следующих выражений:

– для схемы с общей базой:

(3.17)

– с общим эмиттером:

; (3.18)

– для схемы с общим коллектором:

. (3.19)

Другие формулы пересчета имеют вид:

;

В справочниках приводится обычно коэффициент передачи по току для схемы включения либо с общей базой, либо для схемы с общим эмиттером, поэтому в случае необходимости используют формулы пересчета.