Принцип действия биполярной транзисторной структуры

Принцип действия биполярной транзисторной структуры рассмотрим на примере активного нормального режима бездрейфовой структуры типа p – n –p с резкими переходами (рис.5). Внешние источники питания соответственно с напряжениями подключены к электродам структуры таким образом, что входными являются электроды эмиттер – база (Э – Б), выходными коллектор – база (К – Б), а электродом, общим для входа и выхода, – база (Б). Таким образом, из схемы включения структуры следует, что входным током является ток эмиттера, а выходным – ток коллектора. Действующие напряжения между электродами структуры ввиду отсутствия включенных во входную и выходную цепи активных нагрузок и при условии, что источники напряжения – источники ЭДС, соответственно равны = , = .

Рассмотрим связи между токами и напряжениями, действующими во входной (управляющей) и выходной (управляемой) цепях транзисторной структуры, и каким образом изменения электрического режима входной цепи (изменения напряжения и соответственно тока эмиттера ) проявляются в изменении электрического режима выходной цепи – в данном случае изменении выходного тока – тока коллектора .

В активном режиме вследствие включения эмиттерного перехода в прямом направлении происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и во входной цепи через область эмиттера протекает дырочная составляющая тока эмиттера . Инжектированные в базу дырки под действием градиента концентрации диффундируют от эмиттерного перехода к коллектору. Из-за малой толщины базы , которая значительно меньше диффузионной длины дырок в базе _р ( << _р), большинство дырок достигает коллекторного перехода, не успевая прорекомбинировать с электронами базы, поступившими в нее от источника для поддержания ее электронейтральности. Достигнув коллекторного перехода, дырки экстрагируются полем перехода в область коллектора, образуя дырочную составляющую коллекторного тока . При этом концентрация дырок в базе у коллекторного перехода оказывается даже ниже концентрации собственных дырок базы, так как скорость дрейфа дырок через коллекторный переход превышает их скорость диффузии в базе ( > ). Градиент концентрации дырок в базе, таким образом, поддерживается за счет избыточной положительно концентрации дырок на эмиттерной границе базы ( =0) > 0 и отрицательной избыточной концентрации дырок на коллекторной границе базы ( = ) < 0. Дырки, экстрагированные в коллектор, и прорекомбинировавшие в нем, вызывают приток электронов от внешнего источника напряжения, замыкая тем самым цепь тока в структуре и внешней цепи.

Часть дырок в базе, как отмечалось выше, рекомбинирует с электронами. На восполнение прорекомбинировавших с дырками электронов от источника поступает в базу такая же часть электронов, которая образует рекомбинационную составляющую тока базы . Рекомбинация дырок с электронами может осуществляться как внутри базы, так и на ее поверхности и на контакте базы с омическим выводом.

Помимо составляющей ток базы содержит электронную составляющую , обусловленную инжекцией электронов из базы в эмиттер, и составляющие - обратный ток коллеторного перехода и обратный ток эмиттерного перехода . Составляющая << , так как концентрация дырок в эмиттере значительно больше концентрации электронов в базе.

Таким образом, токи, протекающие в цепях, равны:

= + - ,

= + ,

= + - ( + ).

В свою очередь ток

= + (1)

Обычно в транзисторных структурах в активном режиме

, , , и = (0,01 – 0,1) ,

= (0,9 – 0,99) .

Изменяя напряжение на эмиттерном переходе можно управлять величиной тока эмиттера, а, следовательно, и величиной тока коллектора, т.е. управлять током в цепи с большим сопротивлением путем изменения в небольших пределах напряжения, приложенного к переходу с малым сопротивлением.

Действительно, если амплитуда переменного тока эмиттера составляет , амплитуда переменного тока коллектора , дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода и сопротивление нагрузки в цепи коллектора имеет порядок величины дифференциального сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении), то коэффициент усиления по мощности транзисторной структуры, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке к мощности, выделяемой на сопротивлении эмиттерного перехода составит =0,5 ² /(0,5 ² ). Поскольку ток , а

сопротивление >> , коэффициент >> 1. Это означает, что транзисторная структура является усилителем мощности переменного тока, т.е. обладает усилительным свойством.

Значительное влияние на свойства транзисторной структуры, в том числе и на усилительные, оказывает эффект модуляции толщины базы – изменение толщины базовой области, вызванное изменением толщины запирающего слоя коллекторного перехода при изменении приложенного к нему обратного напряжения Существо эффекта можно пояснить с помощью показанных на рис.6 графиков распределения концентрации неравновесных (избыточных) неосновных носителей заряда в базе.

Ранее отмечалось, что вероятность рекомбинации инжектированных эмиттерным переходом дырок в базу с электронами базы чрезвычайно мала, поэтому можно считать, что концентрация избыточных дырок в базе изменяется практически по линейному закону и (наклон линий на рисунке) пропорционален току эмиттера и равному ему току коллектора (практически с точностью до тока ).

На рис.6 линия 1 отражает зависимость при заданном напряжении для напряжения коллектор – база = | |, которому соответствуют эффективная толщина базы и ток эмиттера . При этом ток коллектора меньше тока эмиттера на величину тока базы, который пропорционален площади треугольника под линией распределения концентрации, если считать, что основной составляющей тока базы является рекомбиционная составляющая , пропорциональная

количеству неосновных носителей заряда, находящихся одновременно в базе структуры, т.е. = - .

При увеличении напряжения на коллекторном переходе до значения | | > | | последний расширяется в обе стороны и тем самым уменьшается толщина базы до величины . Наклон линии возрастает (линия 2), соответственно ток эмиттера увеличивается до значения > , ток базы рекомбинации становится меньше тока и ток коллектора увеличивается ( > ). Таким образом, изменение напряжения , действующего в выходной цепи транзисторной структуры, оказывая влияние на ток эмиттера, протекающего во входной цепи, свидетельствует о наличии внутренней обратной связи в структуре, влияющей на ее усилительные свойства.

Рассмотренные выше явления в бездрейфовой транзисторной структуре присущи также и дрейфовой. Отличие состоит главным образом в механизме движения инжектированных в базу эмиттером носителей заряда – дрейфе через базу в сторону коллектора под действием внутреннего поля базы В результате зависимость избыточной концентрации приобретает вид, показанный на рис.7.

Поскольку в диффузионной структуре коллекторный переход – плавный, то при изменении напряжения относительное изменение толщины коллекторного перехода наблюдается в основном в сторону коллектора и эффект модуляции толщины базы проявляется меньше по сравнению с бездрейфовой структурой.