7.1. Принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор является активным прибором полупроводниковой электроники, так как он позволяет осуществлять усиление мощности входного сигнала.

Усилительный режим работы транзистора соответствует прямому смещению эмиттерного p-n перехода и обратному смещению коллекторного p-n перехода.

Принцип действия БТ основан на инжекции неосновных носителей заряда базы из эмиттера в базу, пролёте этих носителей посредством диффузии и дрейфа через базу, экстракции (коллектировании) дошедших до коллекторного перехода неосновных носителей, инжектированных эмиттером, перенос полем обратносмещённого коллектора этих носителей в квазинейтральную область коллектора, где они становятся основными и замыкают цепь внешнего тока коллекторного источника питания.

Проанализируем более подробно физические процессы, протекающие в транзисторе в усилительном режиме. Для определённости в этом разделе будем рассматривать p-n-p транзистор.

1. При подаче прямого смещения на эмиттерный переход потенциальный барьер понижается, и происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Одновременно происходит обратная инжекция электронов из базы в эмиттер. Для обеспечения высокой эффективности (коэффициента инжекции) необходимо подавить ток обратной инжекции. Это достигается с помощью различного легирования эмиттера и базы в гомогенных транзисторах, а именно: эмиттер легируют значительно больше, чем базу. В этом случае N_E >> N_B, и эмиттерный переход представляет собой несимметричный резкий (или сверхрезкий) p⁺-n переход. Эффективность такого p-n перехода близка к единице.

Ток обратной инжекции определяется процессом рекомбинации электронов в p⁺-эмиттере и является компонентом электронного тока базы

.

n I_ne p n В гетеротранзисторе n-p-n типа

использование в качестве эмит-

Ф_on тера широкозонного полупро-

водника позволяет получить вы-

E_C E_C сокий коэффициент инжекции

даже в случае N_E ≤ N_B из-за

F большей величины барьера для

обратной инжекции из базы по

E_V сравнению с барьером для пря-

Ф_op мой инжекции из эмиттера в

E_V базу (рисунок 7.2).

I_pe Рисунок 7.2 - Энергетическая диаграмма гетеротранзистора

В этом случае

,

где .

При разнице в ширинах зон порядка 0,4эВ (переход Si-Ge) отношение при комнатной температуре. Следовательно эффективность эмиттера будет близка к единице даже в случае, если N_E ≤ N_B. Таким образом, гетеропереход позволяет осуществлять практически одностороннюю инжекцию носителей заряда.

2. За время релаксации , т.е. практически мгновенно, инжектированные в базу неосновные носители заряда (дырки) нейтрализуются основными носителями (электроны), поступающими из источника питания эмиттер-база.

3. Возникает градиент концентрации неравновесных электронно-дырочных пар, под действием которого происходит диффузия (дрейф при наличии поля) дырок от эмиттера к коллекторному переходу, где концентрация дырок близка к нулю вследствие экстракции неосновных носителей полем обратно смещённого коллектора.

4. По мере пролёта базы происходит рекомбинация наиболее медленных дырок с электронами, которая создаёт вторую компоненту базового электронного тока. Поскольку толщина базы W_B значительно меньше диффузионной длины дырок L_B, то практически все дырки достигают коллектора. Таким образом, величина дырочного тока в коллекторе I_pc приблизительно равна дырочному току эмиттера I_pe. эффективность прохождения дырок через базу характеризуется коэффициентом переноса

.

Величина тока базы I_B2 определяется разностью (I_pe – I_pc),

.

5. Дошедшие до коллекторного перехода дырки затягиваются полем обратно смещённого коллектора и создают полезный дырочный ток I_pc.

,

где – коэффициент передачи тока эмиттера. Значение α лежит в диапа- зоне (0,95-0,999).

6. К коллекторному переходу приложено обратное смещение, поэтому через него протекает также небольшой неуправляемый генерационный ток I_CBO – обратный ток коллекторного p-n перехода, который замыкается через цепь базы. Так как генерационный ток направлен встречно рекомбинационному току базы, то результирующее значение (рисунок 7.1) тока базы

.

Ток коллектора

.

Нетрудно заметить, что для транзистора в усилительном режиме выполняется закон Кирхгофа

I_E = I_B + I_C.

Проведенный анализ устанавливает основные требования к структуре биполярного транзистора

1. N_E >> N_B; E_gE > E_gB – для обеспечения эффективности эмиттера, близкой к единице .

2. W_B << L_B – для уменьшения потерь в базе и обеспечения коэффициента переноса β ≤ 1.

3. Уровень легирования коллектора N_C и его толщина W_C должны обеспечить требуемое рабочее напряжение, которое ограничивается лавинным пробоем коллекторного p-n перехода.