Принцип действия биполярного транзистора

Рассмотрим принцип действия транзистора в активном режиме, включенного по схеме ОБ (рис. 3).Под действием внешнего напряжения Uэб эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а под действием Uкб коллекторный переход – в обратном.

При увеличении U_эб снижается потенциальный барьер эмиттерного перехода, а так как концентрация электронов в эмиттере значительно больше концентрации дырок в базе, то происходит инжекция электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Это вызывает протекание токов инжекции: I_эn – электронного и I_эр – дырочного. Т.к. число дырок в области базы значительно меньше количества электронов в области эмиттера, то I_эр << I_эn.

Рисунок 3

Для количественной оценки составляющих полного тока эмиттерного перехода вводят параметр – коэффициент инжекции (эффективность эмиттерного перехода):

, (1)

который показывает, какую долю от общего тока эмиттера составляет ток инжектированных в базу носителей заряда. На практике γ = 0,98…0,995. Дырки, инжектированные из области базы в область эмиттера, полностью рекомбинируют.

Электроны, инжектированные в базу, создают в ней вблизи р-n перехода неравновесную концентрацию носителей, которая нарушает электронейтральность области базы. Для сохранения электронейтральности из внешней цепи от источника питания U_эб дырки через вывод базы устремляются к эмиттерному переходу, создавая ток . Таким образом, входная цепь эмиттер-база оказывается замкнутой, и во внешней цепи протекает входной ток – ток эмиттера . Часть подошедших к эмиттерному переходу дырок рекомбинирует с инжектированными электронами, а вследствие разности концентраций (в диффузионных транзисторах) и разности концентраций и наличия внутреннего электрического поля (в дрейфовых), электроны и дырки движутся вглубь базы к коллекторному переходу. Т.к. ширина базы значительно меньше диффузионной длины электронов, то большинство инжектированных электронов не успевает рекомбинировать. Электроны, подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в ускоряющее поле U_кб, экстрагируют (втягиваются) в коллектор, создавая ток коллектора I_кn, а подошедшие дырки отталкиваются полем коллекторного перехода и возвращаются к базовому выводу. Таким образом, выходная цепь (коллектор-база) оказывается замкнутой и в ней протекает ток I_к.

Процесс переноса неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса

, (2)

величина которого зависит от ширины базы, диффузионной длины носителей и близка к единице (0,988…0,995).

Экстракция электронов может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным размножением носителей заряда в коллекторном переходе. Процесс умножения носителей оценивается коэффициентом лавинного умножения

. (3)

В связи с этим ток коллектора, вызванный инжекцией основных носителей заряда через эмиттерный переход, равен

, (4)

где - статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Кроме управляемого тока коллектора в транзисторе протекает обратный неуправляемый ток I_кбо.

Принцип действия транзистора основан на следующих физических процессах:

- инжекция носителей через прямосмещенный эмиттерный переход;

- рекомбинация и диффузионный перенос носителей через область базы от эмиттерного к коллекторному переходу;

- экстракция носителей через обратносмещенный коллекторный переход.