4. Биполярные транзисторы, принцип действия:

Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип действия:

Принцип работы похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока - основной "большой" ток, и управляющий "маленький" ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».  Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

5. Биполярные транзисторы, распределение токов в кристалле:

Свойства транзисторов и их характеристики в значительной мере определяются процессами переноса носителей заряда от эмиттера к коллектору, которые в свою очередь, зависят от закона распределения примесей в базе.

В равновесном состоянии во всех областях транзистора устанавливается концентрация носителей в соответствии с законом действующих масс np = n²_i. Концентрация неосновных носителей каждой области определяют по степени её легирования. Обычно концентрация примесей в базовой области бездрейфового транзистора на два-три порядка меньше, чем в областях эмиттера и коллектора.

Приложение напряжения смещения на p-n переход меняет концентрацию неосновных носителей заряда на границе соседних областей. Причем при прямом смещении концентрация неосновных носителей растёт, а при обратном - падает. Аналогично меняется концентрация основных носителей в областях транзисторов возле границы p-n переходов.

В транзисторе возможны четыре комбинации знаков напряжения, которые подаются на эмиттерный и коллекторный переходы (на диаграмме ниже). В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:

• режим отсечки - оба перехода смещены в обратном направлении;

• режим насыщения - оба перехода смещено в прямом направлении;

• активный нормальный режим (режим усиления) - эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный в обратном направлениях;

• активный инверсный режим - коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный в обратном направлении.

В режиме насыщенияэмиттерный и коллекторный p-n переходы смещены в прямом направлении. Через оба перехода в базу инжектируются неосновные носители, концентрация которых значительно превышает равновесную. Это приводит к к интенсивной рекомбинации, которая вызывает поступление электронов в базу через внешний вывод. Характер распределения дырок в базе определяется напряжениями смещения p-n переходов. В режиме насыщения нет возможности управления токами транзистора.

В активном нормальном режимеэмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном. Через эмиттерный переход в базу инжектируются дырки, а из базы в эмиттер - электроны. Далее под действием градиента концентрации диффузируют в сторону коллектора и частично рекомбинируют в базе. Достигши коллекторного перехода, дырки подхватываются его полем и перебрасываются в область коллектора, где движутся к омическому контакту и создают коллекторный ток.

Одновременно из коллектора в базу дрейфуют электроны, где они частично компенсируют избыточный заряд дырок, а частично рекомбинируют. Количество электронов, которых не хватает для компенсации заряда дырок, поступают в базу от источника через базовый вывод. Следует отметить, что в ряде случаев, например, с уменьшением диффузии дырок, в базе появляется избыточный заряд электронов и они будут вытекать через внешний электрод. Электроны поступают или выбывают таким образом, что в базе всегда сохраняется электронейтральность.

Уровень рекомбинации дырок определяется временем их пребывания в базе, то есть зависит от её длины. По этому для уменьшения уровня рекомбинации толщина базы должна быть значительно меньше чем диффузная длина дырок (W_Б << L_p).

В инверсном режимеэмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный - в прямом. При этом роль инжекторного выполняет коллекторный переход, а собирательно - эмиттерный. Если площади эмиттерного и коллекторного переходов одинаковы (симметричные транзисторы), тогда нет никакого принципиального отличия в распределении избыточных носителей, который был в активном режиме. На практике, за исключением специальных случаев, площадь коллекторного перехода формируют больше чем площадь эмиттерного перехода (несимметричные транзисторы), что необходимо для эффективного собирания коллектором носителей, которые инжектируются эмиттером. По этому в инверсном режиме в таких транзисторах, кроме рекомбинации избыточных носителей в объеме базы, существенную роль играет и поверхностная рекомбинация, вследствие чего эффективность работы транзистора в инверсном режиме оказывается ниже, чем в активном.