Биполярные транзисторы 7

3. Биполярные транзисторы

3.1. Устройство и физические процессы

Одним из наиболее эффективных усилительных приборов является биполярный транзистор (БТ). Основу его составляет обратносмещенный p-n переход, проводимость которого регулируется концентрацией носителей. Носители вводятся в переход инжекцией из второго перехода, именуемого эмиттерным. Схематично устройство транзисторов прямой и обратной проводимости показано на рис.1.

Рис.1. Схематичное устройство и условное обозначение БТ.

Средняя область между двумя p-n переходами с толщиной w именуется базой. Толщина базы для уменьшения потерь на рекомбинацию должна быть существенно меньше диффузионной длины (w<<L). Базо-эмиттерный переход выполняется резко несимметричным, так что инжекцией в область эмиттера можно пренебречь. Обычно эмиттерный переход легируется до вырождения. В этих условиях практически весь ток эмиттера есть ток инжекции неосновных носителей в область базы, а инжекцией в область эмиттера можно пренебречь. При этом коэффициент инжекции:

=I_{б инж}/(I_{б инж}+I_{э инж})I_{б инж}/I_э1, (1)

где I_{б инж} - ток инжекции в область базы,

I_{э инж} - ток инжекции в эмиттер,

I_э - ток эмиттера.

Механизм преодоления области базы зависит от распределения примеси. При равномерном распределении (бездрейфовые транзисторы) это диффузия. При неравномерном распределении - преобладает дрейф во внутреннем поле. При преодолении области базы неосновные носители втягиваются в область коллектора (экстракция) и ускоряются в ней. Доля достигших коллекторного перехода неосновных носителей характеризуется коэффициентом переноса:

=I_{б инж}/I_{к экстр}1 (2)

Коэффициент переноса можно определить и по другому:

=1/(1+w²/2L²), (3)

где L - диффузионная длина неосновных носителей. Для повышения значения коэффициента переноса уменьшают толщину базы. Увеличивать же диффузионную длину нельзя, так при этом ухудшаются частотные свойства транзистора. В области коллектора заряды дрейфуют в его поле. Скорость дрейфа может быть столь значительной, что при происходит умножение количества носителей в М раз. Результирующий ток коллектора складывается из ток экстракции и обратного тока коллекторного перехода:

I_к=МI_э+I_кбо=I_э+I_кбо, (4)

где  - коэффициент передачи тока эмиттера.

Обычно транзисторы работают в области напряжений коллектора-база не вызывающих процесса умножения носителей в области коллектора (кроме лавинных). В этом случае М=1. Ток базы может быть определен как разность токов эмиттера и коллектора:

I_б=I_э-I_к=I_э-I-I_кбо=(1-)I-I_кбо. (5)

3.2. Режимы работы транзистора

Существуют 4 режима работы транзистора, которые перечислены далее.

• Нормальный активный, эб - переход прямо смещен, а кб - обратно.

• Двойной инжекции (насыщения), оба перехода прямо смещены.

• Отсечки, оба перехода обратно смещены.

• Обратен по отношению к первому режиму.

В 1 и 4 режимах транзистор работает как усилитель. Отличие состоит в значении коэффициента передачи тока, который в инверсном режиме существенно меньше i<<.

В рассмотренной физической модели не учтено влияние эффекта модуляции толщины базы коллекторным напряжением. При изменении Uкб происходят физические явления описанные ниже.

• Изменяется коэффициент переноса через область базы, т.е. доля неосновных носителей достигающих коллекторного перехода.

• Изменяется объемный заряд базы, т.е. коллекторный переход обладает кроме барьерной емкости еще и диффузионной.

• Изменяется время диффузии и следовательно частотные свойства транзистора.

• Тепловой ток эмиттерного перехода Iэо при тонкой базе обратно пропорционален ее толщине и, следовательно, входная ВАХ зависит от Uк.