Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) изобретён в 1948 У

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) изобретён в 1948 У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином (Нобелевская премия, 1956).

Транзисторысоставляют два основных крупных класса: униполярные и биполярные.

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Транзистор - преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, пригодный для усиления мощности.

Рис. 8.3 УГОбиполярного транзистора

Схематическое устройство БТ(р-п-р)

Наиболее распространенные транзисторы имеют два p-n перехода.

Рис. 8.4 Схематическое устройство биполярного p-n-p транзистора

Основной элемент транзистора - кристалл гер­мания, кремния или другого п/п, в котором созданы три об­ласти с различной проводимостью (рис. 8.4).

Две крайние области обладают проводимостью одинакового типа. Между ними – базовый слой (W, на рис 8.5).

Структура имеет два p-n перехода – эмиттерный (б-э)иколлекторный (б-к).

Возможны два варианта биполярных транзисторов: p-n-p и n-p-nтипа.

Рис. 8.5 Пример конструкции (60-70гг) биполярного транзистора (Ge) p-n-p типа;

W – база, типа; эмиттерный переход и коллекторный переход - Ge-p типа

Два условия работы транзистора:

- рас­стояние между базой и коллектором должно быть очень мало – единицы и доли микрометров. Т.е., область базы- очень тонкий слой.

- концентрация атомов примеси в области базы незначительна - во много раз меньше, чем в эмиттере.

Принцип работы БТ (физика)

Активный режим(для примера)

Рис. 8.6 Принцип работы транзистора. Включение транзистора по схеме с общей базой.

В активном режиме (существуют и другие режимы), к эмиттерному

p-n переходу при­кладывается напряжение Е_эв прямом (пропускном) направлении, а к коллек­торному p-n переходу прикладывается напряжение Е_кв обратном направлении.

При этом Е_к » Е_э(рис. 8.6).

1. При замыкании ключа К1

к эмиттеру приложен +Е_Э; к, базе – Еэ, к участку эмиттер-база при­ложено напряжение в прямом направлении. Через эмиттерный переход пойдет прямой ток, создаваемый направлен­ным движением основных носителей заряда: инжекция дырок из эмиттера(в базе они станут неосновными) и электронов из базы (в эмиттере они станут неосновными).

Рис. 8.7 Принцип работы транзистора, б-э переход в прямом включении.

1. Если разомкнуть К1, а К2 замкнуть,

к коллектору приложен – Е_К; к базе + Е_К, переход закрыт и в цепи пойдет незначительный обратный ток I_кo (неосновных носителей).

Рис. 8.8 Принцип работы транзистора, б-к переход в обратном включении.

1. Если замкнуть все ключи,

это основной (активный) режим работы транзистора.

К участку эмиттер-база при­ложено напряжение в прямом направлении. Через эмиттерный переход проходит прямой ток, обуслов­ленный перемещением дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер.

Рис. 8.9 Принцип работы транзистора, токи

Т.к. кон­центрация носителей заряда в базе много меньше, чем в эмиттере, то количество дырок, проходящих в базу, намного превышает количество электронов, движущихся в противоположном направлении.

Для p-n-p транзистора эмиттерный ток равен:

I_Э = I_PЭ +I_nЭ = gI_PЭ (8.3)

g = I_PЭ/ I_PЭ +I_nЭ = 1/(1+ I_nЭ/I_PЭ) (8.4)

где g - коэффициент инжекции эмиттерного перехода.

I_PЭ, I_nЭ - диффузионные токи основных носителей открытого базо-эмиттерного перехода.

Коэффициент инжекции эмиттерного перехода g показывает, какая часть эмиттерного тока состоит из заряда, инжектированного в базу.

Только инжектированные носители в эмиттер создают эффект усиления (рассмотрим ниже), поэтому желательно, чтобы коэффициент инжекции был как можно выше (обычно g > 0,99).

Поэтому почти весь ток через эмиттерный переход обусловлен дырками (для p-n-p транзистора).

Дырки, попав в базу, для которой они являются неосновными носителями заря­да, будут рекомбинировать с электронами.

Т.к процесс рекомбинация - не мгновенный, а толщина базы мала, то

почти все дырки успевают пройти через тонкий слой базы и достигнут коллекторный переход раньше, чем произойдет рекомбина­ция.

Подойдя к коллектору, дырки начинают испытывать действие электрического поля, созданного источником напряжения Е_к.

Это поле для дырок является ус­коряющим, и поэтому они быстро втягиваются из базы в коллектор и участву­ют в создании дрейфового коллекторного тока 1_К.

Не все инжектированные эмиттером носители доходят до коллектора, некоторая их часть рекомбинирует в базе:

I_pк = k I_PЭ (8.5)

где k - коэффициент переноса

Коэффициент переноса (k) показывает, какая часть инжектированных носителей дошла до коллектора, не прорекомбинировав.

Коэффициент переноса зависит от времени жизни неосновных носителей в базе и ее длины W. Чтобы обеспечить перенос инжектированных носителей через базу транзистора необходимо, чтобы диффузионная длина была больше толщины базы транзистора

Lp >>W (8.6)

Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокие значения коэффициента переноса (обычно k > 0,98).

Коллекторный ток состоит из тока носителей заряда, инжектированных эмиттером в базу и обратного тока неосновных носителей коллектора через коллекторный переход I_ко поэтому, учитывая (8.4) и (8.5):

I_к = aI_Э +I_ко (8.7)

причем

a = g k (8.8)

- коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь.

Коэффициенты γ и κ характеризуют вклад инжекционных и рекомбинационных процессов в коллекторный ток, т.е. в работу транзистора и его характеристики.

Чем выше коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь (a), тем выше усиление транзистора по мощности, поэтому иногда этот коэффициент называют коэффициентом усиления транзистора в схеме с общей базой (рассмотрим ниже), т.к. g и k меньше единицы, то и a меньше единицы.

Для n-p-n транзистора можно написать соотношения, аналогичные (8.3) - (8.5), при этом изменяются только индексы, обозначающие тип носителей заряда.

Уравнения, характеризующие соотношения между токами транзистора (рис. 8.9):

I_э = I_к + I_б,
I_к = I_э + I_ко (8.9)

Расход электронов на рекомбинацию в базе компенсируется новыми электронами, по­ступающими в базу через базовый вывод. Поток этих электронов представляет собой базовый ток, равный

I_б = I_э - I_к (8. 10)

Для тока базы (I_б) можно написать, через α:

I_б = I_э - I_к = I_э - αI_э = I_э(1 - α) - I_ко (8.11)

Очень малый процент дырок рекомбинирует с электронами в области базы, поэтому ток базы I_б мал, и

(8.12)