Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 3_Биполярные транзисторы

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Тема 3. Биполярные транзисторы

Смирнов В.И.

кафедра ПиТЭС, УлГТУ

Биполярный транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электрическими p-n-переходами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Транзистор предназначен для усиления электрических колебаний, а также для генерации колебаний или коммутации электрических сигналов.

В транзисторе имеются 3 области с чередующимся типом проводимости: эмиттер, база и коллектор, разделенные двумя p-n-переходами: эмиттерным (или эмиттер-база) и коллекторный (или коллектор-база).

Заштрихованы области пространственного заряда (ОПЗ).

Эмиттер предназначен для инжекции носителей заряда (электронов или дырок) в базу транзистора, поэтому его легируют гораздо сильнее, чем базу.

Базу обычно легируют неоднородно, что приводит к образованию в ней электрического поля, способного заметно ускорить движение носителей заряда через базу. Такие транзисторы называются дрейфовыми (бывают и бездрейфовые или диффузионные).

Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами

В зависимости от полярности напряжений на переходах (направления смещения эмиттерного и коллекторного переходов) различают четыре режима работы транзистора: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения и режим отсечки.

Внормальном активном режиме к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, а к коллекторному– обратное.

Винверсным активном режиме все наоборот (коллектор как бы меняется местами с эмиттером).

Врежиме насыщения к обеим переходам приложено прямое напряжение.

Врежиме отсечки к обеим переходам приложено обратное напряжение.

Схемы включения биполярного p-n-p-транзистора:

с общей базой; с общим эмиттером; с общим коллектором

Термин «общий» означает, что данный электрод транзистора является общей точкой для двух источников питания, формирующих постоянные смещения на оба перехода транзистора. Переменный (или постоянный)

выходной сигнал сниматься с нагрузочного резистора в выходной цепи. Таблица 3.1. Параметры различных схем включения биполярных

3.5Физические процессы в биполярном транзисторе

Транзистор p-n-p-типа, включенный по схеме с общей базой в активном режиме.

Пунктиром отмечены границы ОПЗ;

ω – толщина базы

При UЭБ > 0 через переход из Э в Б инжектируются дырки , а из Б в Э - электроны, что приведет к протеканию эмиттерного тока IЭ: Iэ Iэр Iэn

IЭр и IЭn – дырочная и электронная составляющие тока IЭ.

Поскольку эмиттер легирован гораздо сильнее базы, то IЭр >> IЭn, в результате IЭ ≈ IЭр, а коэффициент инжекции γЭ ≈1 (чуть меньше 1).

Поскольку базу транзистора тонкая (ω<< ), то основная часть инжектированных дырок достигнет коллекторного перехода, перебросится полем ОПЗ из базы в коллектор, создавая коллекторный ток дырок

3.6Физические процессы в биполярном транзисторе

Эффективность перемещения дырок через базу транзистора характеризуется коэффициентом переноса χ = IКр/IЭр ≈ IК/IЭр ≈ IК/IЭ. Для тонкой базы χ ≈1 (чуть меньше 1).

В результате ток коллектора IК, вызванный инжекцией неосновных носителей заряда (дырок) через эмиттерный переход, равен:

I γ χ I α I где α = γЭ∙χ – коэффициент передачи

к э э э тока эмиттера (α ≈ 0,95 … 0,99).

Таким образом, коллекторный ток IК несколько меньше эмиттерного тока IЭ. Это различие компенсируется током IБ через базовый электрод: IЭ =IК + IБ

Следовательно, в схеме с ОБ никакого усиления по току не происходит. Важно: выходное сопротивление (обратно смещенный коллекторный

переход) много больше входного сопротивления (прямо смещенный эмиттерный переход). Это означает, что в коллекторную цепь без искажения работы транзистора можно включать большое нагрузочное сопротивление. Даже если IЭ ≈ IК , напряжение на нагрузочном резисторе будет много больше, чем входное. Т. о. произойдет усиление сигнала по напряжению, а значит и по мощности . Коэффициент усиления KU =Rвых/Rвх.

3.7Физические процессы в биполярном транзисторе

Транзистор p-n-p-типа, включенный по схеме с общим эмиттером в активном режиме.

Ранее получали, что согласно 1-му закону Кирхгофа

β = α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы

Поскольку значение близко к 1, то может быть очень большим. Например, при = 0,99 значение получается равным 99.

Это означает, что небольшим током во входной цепи IБ можно управлять большим током в выходной цепи IК. Кроме усиления по току, транзистор в схеме с ОЭ из-за большого различия выходного и входного сопротивлений усиливает сигнал по напряжению и по мощности. Поэтому в усилительных каскадах чаще используют схемы включения с ОЭ, чем схемы с ОБ.

3.8Статические характеристики биполярного транзистора

Наиболее важными для биполярных транзисторов являются следующие:

-входная характеристика – зависимость Iвх=f1(Uвх) при Uвых=const;

-выходная характеристика – зависимость Iвых=f2(Uвых) при Uвых=const.

Статические характеристики в схеме с ОБ

По внешнему виду входные ВАХ совпадает с прямой ветвью ВАХ p-n- перехода. Если UКБ < 0 (для p-n-p-транзистора), то ВАХ смещается по оси ординат вверх. Это объясняется эффектом модуляции толщины базы, называемом также эффектом Эрли.

3.9 Статические характеристики биполярного транзистора

Распределение дырок, инжектированных из эмиттера в базу, при UЭБ = const

При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе толщина его ОПЗ увеличивается, что приводит к уменьшению толщины базы от ω1 до ω2.

Если UЭБ при этом фиксировано, то pn(x) при x = xЭ также будет оставаться постоянной.

В результате градиент концентрации инжектированных в базу дырок dpn/dx увеличится, т.е. зависимость pn(x) станет более крутой, что приведет к росту тока IЭ через эмиттерный переход.

Выходная ВАХ при IЭ = 0 аналогична обратной ветви p-n-перехода. При IЭ > 0 и |UКБ| > 0 (активный режим работы транзистора) все

дошедшие до коллекторного перехода дырки переносятся через него, вне зависимости от поля в ОПЗ, определяемого напряжением UКБ. Поэтому существует пологий участок ВАХ (небольшой рост из-за эффекта Эрли).

При увеличении IЭ значение IК увеличивается, поскольку на каждом из этих участков IК=α∙IЭ.