ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В

БИПОЛЯРНОМ И ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРАХ

Транзисторы можно разделить на два больших класса – биполярные и униполярные. В биполярных транзисторах как положительные (дырки), так и отрицательные (электроны) свободные носители заряда принимают участие в работе прибора, отсюда и термин биполярный. В биполярных приборах заряд избыточных неосновных носителей заряда, инжектированных в базу, компенсируется равным по величине зарядом основных носителей, так что электрическая нейтральность в базе сохраняется. С другой стороны, в униполярных приборах, к которым относятся полевые транзисторы, ток обусловлен только свободными основными носителями заряда в проводящем канале и влияние малого количества неосновных носителей заряда несущественно, отсюда и термин униполярный. Зарядовую нейтральность здесь не требуется поддерживать непосредственно

вканале транзистора, однако компенсация заряда осуществляется

вболее широкой области, включающей граничащие управляющие электроды.

Принципы работы биполярных и полевых транзисторов существенно различны. Так действие биполярного транзистора основано на использовании явлений инжекции и экстракции неосновных носителей заряда, имеющих место в структуре с двумя взаимодействующими р-п-переходами. Действие полевых транзисторов основано на управлении продольной проводимостью полупроводникового слоя поперечным электрическим полем. В связи с этим рассмотрим отдельно физические процессы, протекающие в каждом из указанных выше полупроводниковых приборов.

3.1. Биполярный транзистор

Биполярный транзистор (transistor = transfer resistor –

преобразователь (трансформатор) сопротивления) был изобретен в США группой исследователей фирмы Bell Laboratories в 1947

году. В 1948 году Бардин и Брэттейн создали точечноконтактный транзистор, а в 1949 году Шокли опубликовал классическую работу по плоскостным диодам и транзисторам.

Биполярный транзистор представляет собой три области полупроводника, чередующиеся по типу проводимости, как показано на рис. 3.1. Принципиальной разницы между работой р- п-р- и п-р-п-транзисторов нет. Поэтому в дальнейшем для определенности все рассуждения будем проводить применительно к транзистору р-п-р-типа.

Рис. 3.1. Схематическое изображение р-п-р- и п-р-п-транзисторов (э – эмиттер; б – база; к – коллектор).

Основным структурным элементом биполярного транзистора является р-п-переход. Детально принцип работы р-п-перехода рассмотрен в главе 2 данного пособия. Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей заряда в базу, называется эмиттером, а соответствующий р-п- переход – эмиттерным. Область транзистора, основным назначением которой является экстракция носителей заряда из базы, называется коллектором, а соответствующий р-п-переход – коллекторным. Базой называют область транзистора, расположенную между двумя р-п-переходами.

Для осуществления эффективного взаимодействия между эмиттерным и коллекторным р-п-переходами толщину базы делают много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. В этом случае неосновные носители заряда, инжектированные эмиттерным р-п-переходом при его смещении в прямом направлении, могут дойти до коллекторного р-п- перехода, находящегося при обратном напряжении, и изменить его ток. Таким образом взаимодействие выпрямляющих

переходов проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого перехода.

Характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примеси в базе может существовать (при неравномерном распределении примеси) или отсутствовать (при равномерном распределении примеси) электрическое поле. Если при отсутствии тока в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то такой биполярный транзистор называется дрейфовым, если же поле в базе отсутствует, то – бездрейфовым или диффузионным. Характерной особенностью бездрейфового транзистора является равномерное распределение примеси в базе. Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на примере бездрейфового транзистора, в котором имеет место диффузионный механизм переноса носителей заряда через базу от эмиттера к коллектору.

На рис. 3.2 изображены структура бездрейфового р-п-р- транзистора, профиль легирования транзистора со ступенчатым распределением примесей, распределение заряда и зонная диаграмма для равновесного состояния. В рабочем режиме при смещении эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном (рис. 3.3), динамическое равновесие нарушается, вследствие чего возникает упорядоченное движение электронов и дырок. Через эмиттерный р-п-переход из эмиттера в базу устремляется поток дырок, а из базы в эмиттер – поток электронов, и в цепи эмиттера протекает суммарный ток

N D − N A

г

EF

EV

Рис. 3.2. Биполярный р-п-р-транзистор: а – схематическое изображение; б – распределение примеси; в – распределение заряда;

где I э , I рэ и I пэ – полный, дырочный и электронный ток через эмиттер соответственно.

eU эб eU кб

Рис. 3.3. Биполярный р-п-р-транзистор в рабочем режиме: а – распределение токов; б – энергетическая диаграмма.

Принципиальным условием для работы р-п-р-транзистора является большой коэффициент инжекции дырок γр через

эмиттерный переход, т.е.

γр = IIрээ = I рэI+рэI пэ ~ 1.

Это достигается за счет того, что концентрация акцепторной примеси в эмиттере значительно превышает концентрацию донорной примеси в базе. В этом случае I рэ >> I пэ . Реальное

значение коэффициента инжекции дырок γ р приближается к

значению ~0,999. Таким образом электронной составляющей тока через эмиттерный переход по сравнению с дырочной можно пренебречь, т.е. I э ≈ I рэ .

Через обратносмещенный коллекторный р-п-переход протекает так называемый «обратный» ток, имеющий

электронную I пк0 и дырочную I 0рк составляющие, которые малы

и не зависят от напряжения на коллекторном переходе.

Дырки, инжектированные в базу эмиттерным р-п-переходом, образуют там положительный пространственный заряд, который нейтрализуется за время максвелловской релаксации зарядом электронов, входящих из базового электрода. В результате в базе образуется градиент концентрации дырок и электронов, которые смещаются в сторону коллектора за счет диффузии. На этом пути некоторое количество дырок рекомбинирует с электронами и до коллектора доходит только их часть, равная рк = η рэ , где

η< 1 – коэффициент переноса; рэ и рк – концентрации дырок у

эмиттера и коллектора соответственно. Эти дырки, подойдя к коллекторному р-п-переходу, втягиваются электрическим полем этого перехода в область коллектора, т.е. имеет место экстракция дырок из базы. Электроны, сопровождавшие дырки, не могут пройти через р-п-переход в область коллектора, т.к. они не способны преодолеть высокий потенциальный барьер e(ϕкб +U к б ) , где ϕкб – контактная разность потенциалов между

р- и п-областями коллекторного перехода и U к б – напряжение на

коллекторном переходе. Оставшиеся в базе электроны для восстановления электрической нейтральности вынуждены покидать базовую область через базовый электрод. В результате электронный ток базы, связанный с переносом дырок, будет

равен разности между током электронов, вошедших в базу и вышедших из нее для восстановления электронейтральности. А это значит, что электронный ток базы равен разности между дырочными составляющими тока эмиттера I рэ и тока коллектора

Таким образом, по своей физической природе ток базы, связанный с переносом дырок, обусловлен рекомбинацией.

При изменении напряжения на эмиттерном р-п-переходе на величину ∆U эб происходит изменение тока в эмиттерной цепи

тока эмиттера ∆I пэ значительно меньше изменения дырочной составляющей ∆I рэ , и изменение обратного тока коллекторного

р-п-перехода также ничтожно мало по сравнению с изменением дырочного тока ∆I рк .

Одним из параметров, характеризующих свойства биполярного транзистора, является коэффициент усиления по току α , определяемый как отношение изменения коллекторного тока ∆I к к изменению, вызвавшего его эмиттерного тока ∆I э .

Тогда с учетом (3.3) для коэффициента усиления по току будем иметь

биполярных транзисторов, включенных в схему с общей базой (рис. 3.3), коэффициент по току имеет значение близкое к единице, оставаясь все же чуть меньше единицы.

Однако, несмотря на то, что α < 1, биполярные транзисторы

являются хорошими усилителями мощности. Это достигается за счет высокого значения коэффициента по напряжению. Покажем это. Под термином коэффициент усиления по напряжению kU

понимается отношение изменения напряжения на коллекторном

где Rэб и Rкб – сопротивления эмиттерного и коллекторного р-п- переходов соответственно.

В виду того, что эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном, Rэб << Rкб и, следовательно, kU >>1 .

Для коэффициента усиления по мощности kP , определяемого как отношение мощности, выделяющейся (рассеиваемой) на коллекторном р-п-переходе ∆Pкб , к мощности, выделяющейся на эмиттерном переходе ∆Pэб , с учетом (3.4) и (3.5) можно записать

Из (3.6) следует, что коэффициент усиления по мощности равен произведению коэффициентов усиления по току и по напряжению.