Структура и основные режимы работы биполярных транзисторов.

Биполярный транзистор – трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя p–n-переходами. Он состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих электропроводность различных типов.

В зависимости от последовательности чередования n- и p-областей различают транзисторы n–p–n- и p–n–p-типов. На практике используются транзисторы обоих типов; принцип действия их одинаков. Основными носителями заряда в транзисторе n–p–n-типа являются электроны, а в p–n–p- транзисторе – дырки. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то чаще используют транзисторы n–p–n-типа. На рис. 6.1, а изображена идеализированная структура биполярного n–p– n-транзистора. На рис. 6.1, б приведено его условное графическое обозначение.

На рис. 6.1, в, г показаны структура и условное графическое обозначение p–n– p-транзистора. Заметим, что n–p–n- и p–n–p-транзисторы имеют обратные полярности напряжений. Соответственно противоположные направления имеют и токи.

Центральная область транзистора, называемая базой, заключена между коллектором и эмиттером. Толщина базы мала и не превышает нескольких микрон. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Симметричные структуры биполярных транзисторов, показанные на рис. 6.1, являются идеальными. Структура реального транзистора несимметрична (рис. 6.2). Площадь коллекторного перехода значительно больше, чем I б Iк Iэ Iб Iк Iэ эмиттерного.

Каждый из p–n-переходов транзистора может быть смещён либо в прямом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора:

1) активный (усиления). Эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;

2) отсечки. Оба перехода смещены в обратном направлении;

3) насыщения. Оба перехода смещены в прямом направлении;

4) инверсный. Эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный -– в прямом.

Рассмотрим подробнее каждый из

режимов работы транзистора на примере прибора n–p–n-типа.

Активный режим. Так как эмиттерный переход смещён в прямом направлении, происходит инжекция носителей из эмиттера в базу. Поскольку область эмиттера легирована сильнее, чем область базы, поток электронов преобладает над потоком дырок. Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Коллекторный переход смещён в обратном направлении, поэтому электроны, достигшие коллекторного перехода, втягиваются полем перехода в коллектор. Происходит экстракция электронов в коллектор. Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны соотношениями:

Множитель α называют коэффициентом передачи тока эмиттера. У интегральных транзисторов α = 0.99–0.995. Из равенств (6.1) следует, что к

Множитель β называют коэффициентом усиления тока базы. Так как величина α близка к 1, то β может принимать большие значения. Для интегральных n–p–n-транзисторов оно составляет от 50 до 200.

Связь между напряжением эмиттерного перехода и током эмиттера имеет n n p экспоненциальную форму:

.

Обратный ток эмиттерного перехода э0 I обратно пропорционален ширине базы и прямо пропорционален площади эмиттерного перехода. Последнее свойство часто используется разработчиками интегральных схем при конструировании источников постоянного тока (см. параграф 6.9). В зависимости от размеров транзистора величина э0 I составляет от 12 10 − до 18 10 − А. Ток э0 I зависит от температуры, удваиваясь при увеличении температуры примерно на 7 °С.

Таким образом, работа биполярного транзистора в активном режиме основана на сочетании процессов инжекции носителей через один переход и собирания их на другом переходе. Концентрация примесей в эмиттере значительно больше, чем в базе и коллекторе. Поэтому электронная составляющая тока n–p–n-транзистора является преобладающей. В активном режиме ток коллектора управляется током эмиттера (или напряжением эмиттерного перехода) и почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку последний смещен в обратном направлении. Активный режим является основным, если транзистор используется для усиления сигналов.

Режим отсечки. Инжекция основных носителей в область базы наблюдается в том случае, если эмиттерный переход смещён в прямом направлении. Если напряжение Uбэ меньше пороговой величины (0.6 В для кремниевых транзисторов), заметной инжекции носителей в базу не наблюдается. При этом I э = Iб = 0 . Следовательно, ток коллектора также равен нулю. Таким образом, для режима отсечки справедливы условия: U_бэ < 0.6 В или I_б = 0

Режим насыщения. Если оба перехода смещены в прямом направлении, носители инжектируются в базу как из эмиттера, так и из коллектора. В этом режиме ток коллектора не зависит от тока базы. Коллекторный переход отпирается, если напряжение коллектор-база Uкб < -0,4 BПри этом напряжение коллектор-эмиттер не превышает напряжение насыщения: Uкэ ≤Uкэ нас. Значение Uкэ нас находится в пределах 0,2–0,3 В.

Режимы отсечки и насыщения биполярных транзисторов являются основными, когда они работают в ключевых и логических схемах.

Инверсный режим. Биполярный транзистор является симметричным прибором в том смысле, что область полупроводника с одним типом проводимости располагается между двумя областями с другим типом проводимости. Поэтому транзистор можно включить так, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. При этом эмиттер играет роль коллектора, а коллектор – эмиттера. Такой режим работы биполярного транзистора называют инверсным. Однако коллектор и эмиттер изготавливают неодинаковыми (см. рис. 6.2), с тем, чтобы наибольшее усиление достигалось в активном режиме. В инверсном режиме усиление транзистора невелико. Такой режим используют в некоторых цифровых схемах.

В табл. 6.1 приведены типичные параметры биполярных транзисторов n– p–n и p–n–p-типов, используемых в микросхемах малой и средней степени интеграции, где Аэ – площадь эмиттерного перехода, 0 I – обратный ток эмиттерного перехода, β – коэффициент усиления тока базы, Uкэ пр – напряжение пробоя коллекторного перехода.

Из табл. 6.1 следует, что характеристики p–n–p-транзисторов значительно уступают характеристикам n–p–n-транзисторов. В частности, коэффициент усиления тока базы p–n–p-транзисторов не превышает 50. Значительное отличие характеристик транзисторов с различными типами проводимостей является существенным недостатком биполярных технологий.