Энергетическая диаграмма транзистора и распределение концентрации носителей

Энергетическую диаграмму транзистора можно построить на основе энергетической диаграммы p-n структуры, причём каждый переход имеет свой потенциальный барьер, препятствующий переходу основных носителей в соседнюю область (рис. 1.17).

Состояние транзистора, при котором отсутствует напряжение на p-n-переходе между эмиттером и базой, называют равновесным (рис. 1.17, а). В равновесном состоянии на обоих переходах устанавливается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающих в обе стороны.

Каждый p-n-переход транзистора можно рассматривать отдельно при условии, что расстояние между переходами значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в средней области. Из-за наличия потенциальных барьеров в равновесном состоянии на p-n-переходах образуется "потенциальная яма", из которой могут выйти лишь те электроны, которые обладают достаточной тепловой энергией, и в равновесном состоянии в обоих переходах устанавливается динамическое равновесие между потоками электронов.

Аналогичное равновесие устанавливается между потоками дырок, которые находятся на "потенциальных гребнях" и свободно перемещаются в соседние слои. В равновесном состоянии результирующие токи через оба перехода равны нулю.

В сплавном транзисторе база однородна, поэтому механизм перемещения носителей имеет диффузионный характер и такие транзисторы называются диффузионными. В рабочем режиме на переходы транзистора подаются постоянные напряжения U_ЭБ и U_КБ, которые создаются источниками Э.Д.С. Е_Э и Е_К в эмиттерной и коллекторных цепях (рис. 1.18).

При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения смещения U_ЭБ потенциальный барьер этого перехода уменьшается и нарушается равновесное состояние. В результате начнётся взаимная инжекция носителей в базу и эмиттер (рис.1.17, б). При этом в базу инжектируются дырки, которые преодолевают уменьшившийся потенциальный барьер. Эти дырки проходят через базу и далее через коллекторный переход в коллектор, образуя коллекторный ток I_К, протекающий через нагрузочное сопротивление R_Н. Небольшая часть дырок рекомбинирует в базе, образуя ток базы I_Б. Этот ток очень мал, так как база имеет незначительную длину (меньше длины свободного пробега) и рекомбинация в ней мала.

У транзистора концентрация дырок в р- областях много больше концентрации электронов в n- области, т.е , поэтому электронной составляющей эмиттерного тока можно пренебречь.

Если в коллекторную цепь включить R_Н, то при отсутствии напряжения на коллекторном переходе полезная мощность на нагрузке не выделяется, т.е усиления не происходит. Чтобы обеспечить усиление, на коллекторный переход необходимо подать запирающее отрицательное напряжение U_КБ, что приведёт к возрастанию потенциального барьера коллекторного перехода.

Принцип действия транзистора состоит в управлении током одного из переходов с помощью тока другого перехода. При снижении потенциального барьера U_ЭБ на эмиттерном переходе возрастает поток дырок, уходящих в базу и диффундирующих далее к коллекторному переходу. Попадая в коллектор эти дырки создают коллекторный ток I_К, протекающий через нагрузку. Следует поподробнее остановится на эффекте усиления мощности. Нагрузочное сопротивление R_Н подключается последовательно с коллекторным переходом. На этом переходе имеется значительная разность потенциалов, которую приходится преодолевать току, обусловленному диффузией из эмиттера.

Для количественного определения усилительных свойств транзистора необходимо знать токи через эмиттерный и коллекторный переходы, а также соотношения между этими токами. Ток базы в установившемся режиме определяется соотношением:

,

Величины I_Э и I_К зависят от градиента концентрации дырок на границе области базы. Рассмотрим закон распределения носителей, инжектированных в базу.

Концентрация дырок в базе на пути движения от эмиттера к коллектору изменяется по длине W базы, что вызывает расширение области пространственного заряда в глубь базы. База сохраняет электрическую нейтральность, и все внешние напряжения падают на переходах, поэтому плотность дырочного тока в базе определяется только диффузионной составляющей:

(1),

При постоянном значении Jp градиент концентрации , так как величины q и Dp постоянны. При x = 0 концентрация дырок в базе на границе с эмиттерным переходом равна Pn(0). При x = W эту концентрацию можно считать равной нулю.

Эти два условия являются граничными и используются для интегрирования выражения (1). В результате получим:

(2).

Таким образом, распределение носителей Pn, инжектированных эмиттером в базу, изменяется по линейному закону (рис. 1.19).

Следует отметить, что реальное распределение носителей несколько отличается от линейного закона, что объясняется процессом рекомбинации некоторого числа дырок с электронами. На рисунке 1.19 индексом "0" обозначены равновесные концентрации носителей. Распределение носителей Np в области эмиттера аналогично их распределению в диоде при прямом включении, а распределение в области коллектора такое же, как в диоде при обратном включении (рис.1.19). Все рассмотренные законы распределения носителей действительны только для бездрейфового транзистора.

В ряде транзисторов, получаемых при изготовлении методом диффузии, концентрация некомпенсированных примесей спадает по направлению от эмиттера к коллектору и возникает поле, способствующее движению неосновных носителей от эмиттера к коллектору. Такие транзисторы называют дрейфовыми, и закон распределения носителей в базе отличается от уравнения (2). Это объясняется тем, что диффузионного транзистора величина концентрации носителей постоянна, а для дрейфового является функцией от x, что приводит к искажению линейного закона Pn(x), так как градиент концентрации носителей вблизи эмиттера уменьшается.

Принцип действия транзисторов типа n-p-n не отличается от рассмотренного выше, только в область эмиттера базы из вводятся электроны. Для таких транзисторов полярность напряжений U_ЭБ и U_КБ должна быть противоположна той, которая показана на рисунке 1.19.