Общая характеристика. Биполярный транзистор (в дальнейшем просто транзистор) – это трехэлектродный полупроводниковый прибор

Биполярный транзистор (в дальнейшем просто транзистор) – это трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих р-n-перехода. Транзистор (рис. 4.1) состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт.

Переход, который образуется на границе областей «эмиттер – база», называется эмиттерным, а на границе «база – коллектор» – коллекторным. Проводимость базы может быть как дырочной, так и электронной; соответственно различают транзисторы со структурами n-p-n и p-n-p. Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, за исключением того, что в транзисторе типа n-p-n ток, текущий через базу от эмиттера к коллектору, создают электроны, а в транзисторе типа p-n-p этот ток создают дырки. Полярность рабочих напряжений и направления токов в транзисторах n-p-n-типа и p-n-p-типа противоположны.

Рис. 4.1. Конструкции биполярного транзистора

Рассматривая трехслойную полупроводниковую структуру, можно убедиться, что у транзистора нет принципиальных различий между эмиттерным и коллекторным переходами и (при включении транзистора в схему) их можно поменять местами, т.е. коллекторный переход использовать в качестве эмиттерного, а эмиттерный – в качестве коллекторного. Но при конструировании кристалла всегда добиваются того, чтобы прямой ток эмиттерного перехода практически целиком замыкался через коллекторную цепь, т.е. I_к ≈ I_з.

Для этого необходимо выполнение следующих основных условий:

1) база транзистора должна быть настолько тонкой, чтобы инжектированные в нее носители могли относительно свободно (не рекомбинируя) достигать коллекторного перехода. У современных приборов толщина базы имеет порядок единиц микрометров;

2) эмиттерная область в сравнении с областью базы должна иметь большую концентрацию примеси (концентрацию примесей в базе делают на два-три порядка меньше концентрации примесей в эмиттере), чтобы прямой ток эмиттера в основном определялся носителями, инжектируемыми эмиттером в базу;

3) площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода (s_к > s_э), чтобы инжектированные в базу носители при перемещении в направлении уменьшения своей концентрации попадали преимущественно в область коллекторного перехода. Отношение s_э / s_к обычно составляет 0,15 – 0,5;

4) чтобы увеличить максимально допустимое напряжение коллектора, которое ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода (U_к.б.max ≈ 0,8 U_{к.б.проб}) в область коллектора обычно вносят несколько меньшую дозу примеси, чем в область эмиттера. Следовательно, для транзистора p-n-p-типа:

n_б << p_к << p_з.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует, и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

На каждый p-n-переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Соответственно различают четыре режима работы транзистора:

1) отсечки – на оба перехода подано обратное напряжение;

2) насыщения – на оба перехода подано прямое напряжение;

3) активный – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное;

4) инверсный – на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный переход – прямое.

Активный режим работы используют для усиления и генерирования сигналов. Режим работы насыщения и режим отсечки используются в ключевых устройствах, в логических устройствах, цифровых интегральных схемах. Инверсный режим используется в специальных схемах.