Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор (БТ) – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n переходами и тремя выводами.

БТ представляет собой пластину полупроводника, в которой созданы три области с чередующимся типом проводимости. В зависимости от порядка их расположения различают БТ типа n-p-n и p-n-p. На рис. 5.1 схематично показаны структуры этих БТ и их условно-графические обозначения соответственно.

Термин «биполярный» подчеркивает, что в работе этих транзисторов участвуют оба вида носителей зарядов – электроны и дырки.

Центральную область кристалла называют базой, две крайние – эмиттером и коллектором. Р-n переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а переход между коллектором и базой – коллекторным. Стрелка эмиттера на УГО БТ показывает направление тока при прямом напряжении на эмиттерном переходе. Часть поверхностей областей покрывают металлическими пленками, к которым припаивают выводы для подачи внешних напряжений.

В настоящее время большинство БТ (как дискретных, так и входящих в состав микросхем) изготовляется на основе кремния и, как правило, имеет структуру n-p-n. Это связано с тем, что в транзисторах n-p-n основную роль играют электроны, а из-за того, что их подвижность в несколько раз выше подвижности дырок, транзисторы типа n-p-n имеют лучшие частотные характеристики и большее усиление по сравнению с транзисторами р-n-р при прочих равных условиях (равенство концентрации примесей, одинаковой геометрии устройства БТ и пр.). Выпуск дискретных германиевых транзисторов ограничен, а БТ на основе арсенида галлия еще не вышли из стадии лабораторных разработок.

В связи с этим имеет смысл далее рассматривать кремниевый транзистор n-p-n типа. Однако все основные теоретические выводы справедливы и для БТ типа p-n-p (с переменой знаков), и для БТ, выполненных на основе любых других полупроводниковых материалов.

Хотя на рис. 5.1 изображение структуры симметрично, однако в реальных БТ симметрия отсутствует. Во-первых, коллекторный переход имеет значительно большую площадь по сравнению с эмиттерным. Во-вторых, концентрация примесей в областях различна. Наиболее сильно легируют эмиттер, концентрация донорных примесей в коллекторе имеет среднюю величину, а базу легируют слабо. На рис. 5.1 соотношение между линейными размерами областей искажено. Необходимое взаимодействие между переходами может быть обеспечено малой толщиной базы, которая значительно меньше диффузионной длины и не превышает нескольких микрометров.

При использовании БТ в качестве компонента электрической схемы к каждому его р-n переходу подключается внешнее постоянное напряжение, смещающее переход в том или ином направлении. При этом могут иметь место три режима работы:

v активный режим, при котором эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;

v режим насыщения, при котором оба перехода прямо смещены;

v режим отсечки, при котором оба перехода обратно смещены.

В режиме отсечки через оба перехода проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет в первом приближении считать, что между всеми выводами БТ будет разрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю. В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток, что эквивалентно малому сопротивлению. Как говорят, транзистор «стягивается в точку», а токи, проходящие через него, определяются только сопротивлениями элементов, включенных во внешние цепи транзистора. Режимы отсечки и насыщения характерны для работы БТ в качестве переключательного элемента – электронного ключа.

Активный режим используют при работе БТ в усилителях и генераторах. В этом случае (рис. 5.2) источник питания Е_БЭ подключен к эмиттерному переходу в прямом направлении, его полярность совпадает с полярностью основных носителей эмиттера и базы. Источник Е_КБ смещает коллекторный переход в обратном направлении. При этом сопротивление эмиттерного перехода мало и для достаточно большого прямого тока достаточно напряжения Е_БЭ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение Е_КБ обычно составляет единицы и десятки вольт.

Из эмиттера в базу инжектируют электроны, а из базы в эмиттер – дырки. Однако в связи с тем, что эмиттер легирован значительно сильнее базы, поток электронов будет намного больше потока дырок и именно он определяет основные процессы происходящие в транзисторе. Из-за разности концентраций электроны движутся к коллектору, стремясь равномерно распределиться по всему объему базы. Так как толщина базы меньше диффузионной длины, большинство электронов не успевают рекомбинировать в ней и почти все они достигают коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода они попадают под действие электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода. А так как они являются в базе неосновными носителями, то происходит переброс электронов через переход в область коллектора – экстракция. В коллекторе электроны становятся основными носителями и легко проходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней выходной цепи БТ.

Небольшая часть электронов рекомбинирует в базе, формируя тем самым базовый ток во внешней (входной) цепи. Механизм его образования следующий. В установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации некоторое их количество исчезает, но столько же новых дырок образуется за счет того, что из базы такое же количество электронов уходят в направлении положительного полюса источника Е_БЭ, образуя ток базы. Поэтому накопления заряда за счет прибывших из эмиттера электронов не происходит.

В соответствии с первым законом Кирхгофа между токами в электродах БТ всегда имеет место, следующее соотношение:

I_Э = I_К + I_Б. (5.1)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Именно с целью его уменьшения, толщина базы должна иметь малое значение, так же как и ее концентрация примесей. В противном случае за счет увеличения рекомбинации носителей возрастает базовый ток, а полезный выходной ток, ток коллектора, получает малое приращение и усилительные свойства транзистора ухудшаются.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то ток через него практически отсутствует. При этом область коллекторного перехода имеет большое сопротивление, т.к. основные носители удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через обратно смещенный переход протекает лишь незначительный обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей: электронов из р-области и дырок из n-области. Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для базы являются неосновными. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление, т.к. обедненный слой насыщается носителями зарядов. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, увеличивается ток в коллекторном переходе и ток i_К в его цепи.

По рекомендуемой терминологии эмиттером БТ следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором БТ называют его область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой БТ называется область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Подобные процессы происходят в транзисторе типа р-n-р, но в нем электроны и дырки меняются ролями. Кроме того, изменяются полярности напряжений и направления токов. Из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые для нее являются неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера увеличивается количество дырок, проникающих через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

При количественном анализе процессов, происходящих в БТ, работающем в активном режиме, прежде всего, вводят понятие коэффициента инжекции g, который характеризует эффективность эмиттера:

g = I_Эn / I_Э = I_Эn / (I_Эn + I_Эр) - 1 / (1 + I_Эр / I_Эn), (5.2)

где I_Эn – ток, создаваемый электронами, инжектируемыми в базу; I_Эр – ток, создаваемый дырками, проходящими через эмиттерный переход из базы в эмиттер; I_Э – полный ток эмиттера.

Коэффициент инжекции определяет важные свойства БТ. В БТ n-p-n основная часть коллекторного тока связана с электронной составляющей, которая определяется инжектированными эмиттером электронами, а дырочная составляющая никаких полезных функций не выполняет. Поэтому ее стремятся свести к минимуму, а g приблизить к 1. Для уменьшения отношения I_Эр / I_Эn необходимо снижать концентрацию дырок в базе и ее толщину при одновременном увеличении диффузионной длины электронов и их концентрации в эмиттере. Если принять, что все атомы примесей как в эмиттере. Так и в базе ионизированы, то выражение для коэффициента инжекции можно представить в виде:

g = 1 – N_ad_б / N_ДD_n , (5.3)

где d_б – толщина базы, D_n – диффузионная длина.

Поэтому для повышения эффективности эмиттера его легируют максимально, а базу легируют слабо и при ее выполнении стремятся к минимальной толщине. В этом случае значение g удается получить 0,999.

Вторым важным параметром служит коэффициент переноса æ, характеризующий эффективность перемещения электронов через базу:

æ = I_Kn / I_Эn, (5.4)

где I_Kn - ток, создаваемый электронами, достигшими границ коллекторного перехода. При достаточно тонкой базе значение æ также близко к 1.

Полный ток коллектора складывается из двух составляющих: потока электронов, инжектированных эмиттером и дошедших до коллектора и обратного тока коллектора.

Первая составляющая будет определяться соотношением:

I_К = g æ I_Э = a_N I_Э, (5.5)

где a_N - коэффициент передачи тока эмиттера.

Вторая составляющая – обратный ток, который определяется соотношением:

I_{К ОБР} = - I_{К 0} [exp (U_K / j _T) –1], (5.6)
где I_{К 0} – тепловой ток коллекторного перехода, а знак «-» определяется направлением тока, вызванного электронами, инжектированными эмиттером; j _T - температурный потенциал. Тогда выражение для полного тока коллектора принимает вид:

I_К = a_N I_Э - I_{К 0} [exp (U_K / j _T) –1]. (5.7)

На практике вместо (5.7) часто пользуются более простым, приближенным выражением. Учитывая, что для БТ рабочим является участок, где (U_K / j _T) >> 1, обратный ток коллекторного перехода практически постоянен и равен I_{К 0}, а (5.7) принимает вид:

I_К = a_N I_Э + I_{К 0}. (5.8)

Если при расчете коллекторного тока за «начало отсчета» взять не ток эмиттера, а ток базы, то из (5.1) и (5.8) получаем полный ток коллектора:

I_К – [a_N (1 - a_N)] I_Б + [1 / (1 - a_N)] I_{К 0} =

= b_N I_Б + (b_N + 1) I_{К 0} = b_N I_Б + I_{К 0}^*, (5.9)

где

b_N = a_N / (1 - a_N) » I_К / I_Б (5.10)

называют коэффициентом передачи тока базы.

Коэффициенты a_N и b_N являются важнейшими физическими параметрами БТ, причем a_N » 1, b_N >> 1. Так для современных транзисторов a_N = 0,9 … 0,995, а b_N = 10 … 200.

Ток I_{К 0}^* называется сквозным током, т.к. он протекает через все три области и два перехода в том случае, если I_Б = 0,т.е. оборван провод базы. При I_Б = 0 получаем I_К = I_{К 0}^*. Этот ток составляет десятки и сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора I_{К 0}. Ток I_{К 0}^* = I_{К 0} / (1 - a_N), и, зная, что b_N = a_N / (1 - a_N), нетрудно найти
I_{К 0}^* = (b_N +1) I_{К 0} . А так как b_N >> 1, то

I_{К 0}^* » b_N I_{К 0} . (5.11)

Значительный ток I_{К 0}^* объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения u_КЭ приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения u_КЭ ток I_{К 0}^* резко возрастает и происходит электрический пробой. Сдует отметить, что если u_КЭ не слишком мало, то при обрыве цепи базы иногда в БТ может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу БТ из строя. В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения u_КЭ действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток I_Э и равный ему ток I_К, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т.д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Если необходимо измерить ток I_{К 0}^*, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разрыве провода базы.