5.3. Основные физические процессы в биполярных транзисторах

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.

Рассмотрим транзистор р-п-р-типа в нормальном активном режиме, то есть эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном, в схеме с ОБ.

Из-за наличия двух р-п-переходов биполярный транзистор может производить усиление по току, напряжению и мощности. Дырки (основные носители заряда в эмиттерной области р-п-р-транзистора) инжектируются прямо смещенным эмиттерным переходом в п-область базы, а электроны из области базы одновременно проходят через переход в р-область. Эмиттерная р-область легирована обычно сильнее, концентрация акцепторов в ней N_аэ = 10¹⁹ - 10²⁰ см^-3, а концентрация доноров в базе N_дб = 10¹⁴ – 10¹⁵ см^-3, т.е. инжекция электронов из п-области в р-область много меньше, чем инжекция дырок из р-области в п-область. Дырки, попавшие в базу, оказываются в избытке у эмиттерного перехода и начинают свое движение (диффузию) вдоль базы туда, где их концентрация меньше, то есть к обратно смещенному коллекторному переходу. Далее дырки втягиваются полем обратно смещенного коллекторного перехода в противоположную область (коллектор) – экстракция зарядов – и выходят через коллекторный вывод. В базе также происходит рекомбинация инжектированных дырок с электронами (основными носителями). Для уменьшения потерь дырок в базе необходимо, чтобы ее толщина была как можно меньше. Если база тонкая, то практически все дырки дойдут до коллекторного перехода (98 – 99 % дырок), т.е. дырочный ток коллектора составляет 0,98 – 0,99 дырочного тока эмиттера I_pк = (0,98 – 0,99) I_pэ, а 1 – 2 % дырок теряется в базе за счет рекомбинации.

Процесс переноса инжектированных носителей через базу – диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения, – диффузионная длина L_p. Поэтому если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины L_p. Условие W < L_p является необходимым для реализации транзисторного эффекта – управления током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.

В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток.

Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p‑n-перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса:

- инжекция из эмиттера в базу;

- диффузия через базу;

- рекомбинация в базе;

- экстракция из базы в коллектор.

Эти процессы для одного типа носителей схематически показаны на рис. 5.5, а, б.

Рис. 5.5. Зонная диаграмма биполярного транзистора:

а - в равновесном состоянии; б - в активном режиме

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, то есть толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, так как рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода – обратную ветвь.

Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:

- толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей L_б, то есть W = 1,5 – 25 мкм < L_б;

- концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера;

- концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера;

- площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

На рис. 5.5, а показана зонная диаграмма биполярного транзистора в схеме с общей базой в условиях равновесия. Значками (+) и (–) на этой диаграмме указаны основные и неосновные носители.

Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном переходе – прямое напряжение, на коллекторном – обратное) является основным.

Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах (рис. 5.5, б). Для любого p-n-перехода ток J определяется суммой электронного J_n и дырочного J_p тока, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие:

(5.14)

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения U_э > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу I_эр и электронов из базы в эмиттер I_эn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок I_эр будет значительно превышать ток электронов I_эn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу, и если ширина базы W много меньше диффузионной длины L_p, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного перехода будут переброшены в р-область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером.

Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (U_к < 0, |U_к| >> 0):

, (5.15)

где I_э – ток в цепи эмиттера, I_к – ток в цепи коллектора, I_б – ток на базовом выводе.

В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет эмиттерный ток I_э, имеющий две компоненты:

, (5.16)

где I_эр – ток инжекции дырок из эмиттера в базу, I_эn – ток инжектированных электронов из базы в эмиттер. Величина «полезной» дырочной компоненты равняется I_эp = γ·I_э, где γ – эффективность эмиттера. Величина дырочного эмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γI_э, где - коэффициент переноса неосновных носителей через базу.

Ток базы I_б транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе I_эn = (1 – γ)·I_э, рекомбинационный ток в базе (1 - )γI_э и тепловой ток коллектора I_к0.

Тепловой ток коллектора I_к0 имеет две составляющие:

, (5.17)

где I₀ – тепловой ток, I_g – ток генерации.

На рис. 5.6 приведена схема биполярного транзистора в активном режиме, иллюстрирующая компоненты тока в схеме с общей базой.

Рис. 5.6. Схема, иллюстрирующая компоненты тока

в биполярном транзисторе в схеме с общей базой

В схеме с ОЭ входной цепью является цепь базы. Так как ток базы существенно меньше тока эмиттера, то можно получить усиление по току. Изменяя базовый ток, меняем количество основных носителей в области базы, то есть заряд базы и, следовательно, понижается потенциальный барьер между эмиттером и базой. Это вызывает инжекцию неосновных носителей заряда из эмиттера. Большинство инжектированных носителей доходит до коллекторного перехода, изменяя его ток. Основные носители заряда, введенные в базу из вывода базы, могут либо рекомбинировать и исчезнуть, либо быть инжектированы в эмиттер, что мало вероятно. Таким образом, на одной основной носитель заряда, вошедший в базу, приходится много неосновных носителей заряда прошедших от эмиттера к коллектору. В этом заключается усиление по току в схеме с ОЭ.