3. Биполярные транзисторы

Транзистор – это управляемый полупроводниковый прибор, который, благодаря таким своим преимуществам, как малые габариты, стоимость и высокая надёжность, используется в схемах усиления сигналов, а также в импульсных схемах.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную ПП структуру с чередующимся типом электропроводности слоев и содержит два р-n-перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов р-n-р и n-р-n (рис. 3.1, а, б). Их условное обозначение на электронных схемах показано на рис. 3.1, в, г. Трехслойная транзисторная структура типа р-n-р, выполненная по сплавной технологии, показана на рис. 3.1, д. Пластинка ПП n-типа является основанием т.е. базой, первый из р-слоев называется эмиттером, а второй – коллектором.

Функция эмиттерного перехода – инжектирование носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода – сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой. Чтобы носители заряда, инжектированные эмиттером и прошедшие базу, полнее собирались коллектором, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода (рис. 3.1, д).

В транзисторах n-р-n-типа функции всех трех слоев транзистора и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в приборах типа р-n-р – это дырки, в приборах типа n-р-n – электроны.

Рис. 3.1. Биполярные транзисторы: а – типа p-n-p; б – типа n-p-n; в, г – условное графическое обозначение p-n-p- и n-p-n-типов соответственно; д – структура сплавного транзистора p-n-p-типа

3.1. Принцип действия транзистора

Принцип действия транзистора рассмотрим на примере структуры типа р-n-р (рис. 3.2, а). На рис. 3.2, б показано распределение концентрации основных носителей заряда в слоях транзисторной структуры в равновесном состоянии, а на рис. 3.2, в – потенциальная диаграмма, создаваемая объемными зарядами р-n-переходов в отсутствии внешних напряжений. Соотношение концентраций основных носителей заряда в эмиттерном и коллекторном слоях транзистора несущественно, и на рис. 3.2, б они приняты одинаковыми. Отличие же в концентрациях основных носителей заряда эмиттерного и базового слоев весьма важно, т. к. оно влияет на основные параметры транзистора. Эмиттер должен быть более сильно легирован, поэтому концентрация основных носителей заряда p_p >> n_n, т. е. эмиттерный переход должен быть существенно несимметричным.

В рабочем режиме внешние напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода – в обратном направлении. В простейшем случае это достигается с помощью двух источников питания U_э и U_к.

Рис. 3.2. Транзистор р-n-р-типа:

а – структура, б – распределение концентраций носителей заряда, в – потенциальная диаграмма в равновесном состоянии; г – потенциальная диаграмма при прямом смещении эмиттерного и обратном смещении коллекторного перехода

Через прямосмещённый эмиттерный переход, как через обычный р-n-переход, протекает ток I_э (рис. 3.2, г). Этот ток создается потоком дырок, инжектированных из эмиттера в базу, и электронов – из базы в эмиттер. Дырки в базе создают избыточный положительный заряд. Для его компенсации в базу входят электроны, а база в целом остается нейтральной. Часть дырок рекомбинирует с электронами, а взамен рекомбинировавших в базу входят новые электроны, создавая электронный ток базы. Инжектированные дырки вдоль базы распределены неравномерно. У границы с коллектором концентрация дырок мала, поэтому в базе возникает градиент их концентрации. Дырки диффундируют в сторону коллектора, втягиваются полем коллекторного перехода и создают дырочный ток коллектора. Благодаря малой толщине базы большая часть дырок доходит до коллектора, не успевая рекомбинировать с электронами. Поэтому через обратносмещённый коллекторный переход протекает ток, значительно превышающий неуправляемый ток обычного обратносмещённого р-n-перехода.

На рис. 3.3 показаны направления потоков дырок и электронов при прямом смещении эмиттерного и обратном смещении коллекторного переходов и направления токов I_э, I_к, I_б в выводах транзистора.

Рис. 3.3. Токи транзистора

Ток эмиттера равен сумме токов, создаваемых потоками дырок и электронов: Iэ = Iэ_р + Iэ_{n .} (3.1)

Дырочная составляющая тока Iэ_р создается потоком дырок, инжектированных из эмиттера в базу. Большинство дырок посредством диффузии достигают коллектора, создают ток Iк_р, который составляет основную часть коллекторного тока. Электронная составляющая тока Iэ_n замыкается по цепи эмиттер – база и не участвует в создании коллекторного тока. Для оценки эффективности эмиттера используется параметр, называемый коэффициентом инжекции _Э,

_э = Iэ_р /I_э . (3.2)

Коэффициент _э показывает, какая часть общего тока эмиттера I_э создаётся потоком дырок Iэ_р.

Ток коллектора общий равен:

Iк = Iк_р + Iк₀, (3.3) где Iк₀ – неуправляемый ток через коллекторный переход. Это ток неосновных носителей, как и ток протекающий через обычный обратносмещенный переход.

Ток базы Iб состоит из двух составляющих: электронной составляющей тока эмиттера Iэ_n и тока рекомбинации (Iэр – Iкр). Рекомбинационные потери дырок в базе учитываются коэффициентом переноса ε:

ε = Iкр/Iэр . (3.4)

Управляемая часть коллекторного тока транзистора, создаваемая дырочной составляющей эмиттерного тока Iкр, связана с током эмиттера Iэ коэффициентом передачи эмиттерного тока :

 = Iкр/Iэ. (3.5)

Умножив числитель и знаменатель этого соотношения на Iэр, получим: (3.6)

Следовательно, коэффициент  тем ближе к единице, чем меньше отличаются от единицы коэффициенты _э и ε.

Повышение эффективности эмиттера _э достигается значительным превышением (на два-три порядка) концентрации основных носителей в эмиттере (дырок) над концентрацией основных носителей в базе (электронов).

Желательно, чтобы величина коэффициента ε как можно меньше отличалась от единицы. Это достигается увеличением времени жизни дырок в базе и сокращением времени нахождения их в базе. Последнее достигается путём уменьшения ширины базы.

Наличие в общем токе Iк неуправляемого тока Iк₀ является одной из основных причин температурной нестабильности характеристик и параметров транзистора.

Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа:

Iэ = Iк + Iб . (3.7)

С учетом теплового тока Iко токи Iк и Iб можно выразить через ток Iэ:

Iк =  Iэ + Iко;

Iб = (1 – ) Iэ – Iко. (3.8)

Подобные же процессы происходят и в транзисторе n-p-n-типа, но там меняются ролями дырки и электроны, а также изменяются полярности питающих напряжений и направления токов, показанных на рис. 3.3. Наиболее распространены транзисторы n-p-n-типа, поэтому далее будем рассматривать транзисторы n-p-n-типа.