66

Биполярные транзисторы

Б иполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами. Такие приборы используются для усиления электрических сигналов и в качестве электронных ключей. Транзистор называют биполярным, поскольку прохождение тока в нём происходит с участием носителей обоих знаков (электронов и дырок). Применяются два вида транзисторных структур: p-n-p и n-p-n. На рис.. изображены удобные для изучения одномерные модели структур p-n-p и n-p-n транзисторов. Структура реального транзистора выглядит иначе. Условные графические изображения биполярных транзисторов приведены на рис…. В электрических схемах биполярный транзистор обозначается VT. Транзистор общего применения маркируется, например, так КТ630, а специального применения 2Т630.

О бласть, лежащая между двумя p-n-переходами называется базой. По одну сторону p-n-перехода лежит эмиттер, по другую - коллектор. Переход эмиттер-база называется эмиттерным. Переход коллектор-база называется коллекторным. Взаимодействие переходов заключается в том, что ток одного перехода управляет током другого перехода. Это взаимодействие конструктивно обеспечивается тем, что ширина базы намного меньше диффузионной длины W_b << L. (W_b = 0.05 - 20 мкм, L = 10 – 100 мкм).

Е сли база транзистора легируется однородно, то такой транзистор называют диффузионным или бездрейфовым, так как перемещение носителей тока в базе происходит только за счёт диффузии. Если база легируется неоднородно, то в ней возникает электрическое поле и наряду с диффузией имеет место дрейф носителей. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

Вначале рассмотрим диффузионный p-n-p транзистор. Будем считать эмиттерный и коллекторный переходы резкими. Энергетическая диаграмма транзистора при отсутствии напряжений на п ереходах представлена на рис…..

Рассмотрим работу транзистора в активном режиме. В активном режиме на эмиттерный переход подаётся прямое смещение, на коллекторный переход – обратное. На рис.. представлена энергетическая диаграмма транзистора в активном режиме.

При прямом смещении эмиттерного перехода происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. В базе электрического поля нет (как в базе диода), поскольку одновременно с дырками из вывода базы в неё входит электроны, обеспечивающие электронейтральность базы. Конструкция транзистора обеспечивает диффузию дырок преимущественно к коллекторному переходу. Поле коллекторного ОПЗ перемещает их в направлении коллектора. При движении в коллекторной ОПЗ дырки теряют энергию при рассеянии на атомах решётки. Поскольку база тонкая, то рекомбинация в ней незначительна. Большая часть дырок доходит до коллекторного перехода и создает ток коллекторного перехода. Ток коллектора лишь на доли процента меньше тока эмиттера. Если изменять дырочную компоненту тока эмиттера, то по тому же закону будет изменяться ток коллектора. Следовательно, с помощью тока эмиттера, основной компонентой которого в p-n-p транзисторе является дырочная компонента, можно управлять током коллектора. Если в цепь коллектора включить нагрузку, например резистор, то при управлении током коллектора будет происходить управление мощностью, отдаваемой источником питания в нагрузку.

Усиление - это управление источником большей мощности с помощью источника меньшей мощности. Покажем, что с помощью транзистора можно усиливать электрические сигналы. Для этого докажем, что мощность, требуемая для управления током эмиттера, может быть намного меньше мощности источника тока, включенного в цепь коллектора.

Допустим, что управление источником заключается в том, чтобы замыкать и размыкать цепь источник-нагрузка рис... Чтобы замкнуть цепь и отбирать мощность в нагрузку, необходимо обеспечить протекание тока в цепи эмиттер-коллектор транзистора от источника питания. Для этого следует сместить эмиттерный переход в прямом направлении. Мощность Р_упр, требуемая для поддержания эмиттерного перехода в прямо смещённом состоянии, равна

,

где U_эб – напряжение эмиттер-база, для кремниевого транзистора равное примерно 0,7 В, I_э – ток эмиттера. Чтобы разомкнуть цепь, прекратив отбор мощности в нагрузку, и поддерживать её в разомкнутом состоянии напряжение U_эб достаточно сделать равным нулю. При этом P_упр = 0. Поэтому мощность, требуемая для управления равна U_эбI_э . Мощность источника Р_ист, отдаваемая в нагрузку равна

,

где U_ист – напряжение источника, I_к – ток коллектора. Отношение мощности источника, отдаваемой в нагрузку, к мощности управления будет равно

.

Конструкция транзистора обеспечивает почти полное равенство токов коллектора и эмиттера в активном режиме работы транзистора. Напряжение источника питания, когда ток коллектора равен нулю, приложено к коллекторному переходу. Поскольку коллекторный переход смещён в обратном направлении, то напряжение источника питания может составлять десятки, а в высоковольтных транзисторах сотни и тысячи вольт. Поэтому отношение P_ист/P_упр намного больше единицы. Следовательно, с помощью транзистора можно усиливать электрические сигналы.

Прохождение токов в транзисторе

Рассмотрим прохождение токов в транзисторной структуре. Ток эмиттера I_э равен сумме токов коллектора I_к и базы I_б. Ток эмиттера состоит из дырочной компоненты I_эp, электронной компоненты I_эn и компоненты, обусловленной рекомбинацией в ОПЗ эмиттерного перехода I_{эрекОПЗ}

.

Для большинства режимов работы транзистора I_{эрекОПЗ} намного меньше любой из двух компонент тока эмиттера, ей можно пренебречь и считать

.

В диффузионном транзисторе I_эp и I_эn являются диффузионными токами. Они пропорциональны соответственно градиентам концентрации у эмиттерного конца базы и границы эмиттера и ОПЗ. Конструкция p-n-p транзистора предусматривает, чтобы дырочная компонента эмиттерного тока была намного больше электронной, поскольку именно она о беспечивает управление током коллектора (взаимодействие переходов). Электронная компонента снижает

эффективность управления током коллектора. Поэтому её стремятся сделать как можно меньшей. В идеальном p-n-p транзисторе должна быть односторонняя инжекция в базу через эмиттерный переход.

Ток базы I_б содержит несколько компонент. В случае активного режима

,

где I_эn – электронная компонента тока эмиттера, I_{эрекОПЗ} – ток рекомбинации в ОПЗ эмиттерного перехода, I_рек – ток рекомбинации в базе, I_кб – обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор-база и имеющий направление противоположное трём другим компонентам тока базы.

В свою очередь ток рекомбинации также состоит из нескольких компонент

,

где I_рекV – ток рекомбинации в объёме базы, I_рекS – ток рекомбинации на поверхности кристалла, принадлежащей базе, I_рекМ – ток рекомбинации на металлических выводах базы.

В активном режиме ток коллектора содержит две компоненты

,

где I_кp – дырочная компонента тока коллектора, пропорциональная градиенту концентрации дырок у коллекторного конца базы.

Режимы работы транзистора

Существует четыре режима работы биполярного транзистора, отличающихся комбинацией знаков смещений эмиттерного и коллекторного переходов. Им соответствует различное распределение концентрации инжектированных в базу носителей по координате, с помощью которого можно объяснить вольт-амперные характеристики транзистора. .