Глава 5. Биполярный бездрейовый транзистор

5.1. Устройство и принцип действия

Устройство. Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор, ос­нову которого составляют два взаимодействующих р-п перехода, образованные в едином кристалле полупроводника и разделенные очень узкой областью взаимодействия, называемой базой. Транзис­тор является одним из самых распространенных полупроводниковых приборов. Он широко используется и как усилительный, и как пе­реключающий элемент, т.е. является универсальным элементом электронных схем. В настоящее время промышленностью выпускает­ся множество всевозможных типов транзисторов с мощностью рассея­ния от десятков милливатт до десятков ватт и с рабочими частота­ми от низких, звуковых частот до сверхвысоких частот (СВЧ). На рис.5.1,а показана упрощенная структура и условное обозначе­ние транзистора р-п-р, а на рис.5.1,б - транзистора п-р-п, Транзисторы р-п-р и п-р-п различаются только порядком чередо­вания типов проводимости областей транзистора. Принцип их рабо­ты одинаков, но полярности внешних источников напряжений и на­правления протекания токов транзистора п-р-п противоположны транзистору р-п-р. Это обстоятельство намного расширяет возможности транзисторов, позволяет создавать оригинальные схемы.

а б

Рис. 5.1

При дальнейшем рассмотрении за основу принят р-п-р транзис­тор. Полученные при этом все выводы и соотношения будут справед­ливы и для п-р-п транзистора с учетом его полярностей.

Конструктивно транзистор состоит из эмиттера (левая р-область), эмиттерного р-п перехода, коллектора (правая n-об­ласть), коллекторного р-п перехода и узкой базы (n-область между переходами). Эмиттерная область имеет внешний эмиттерный вывод Э, образующий не выпрямляющий контакт с эмиттерной об­ластью. Коллекторный вывод К и базовый вывод Б образуют невыпрямляющие контакты с коллекторной и базовой областями (на практике часто внешние выводы называют соответственно эмитте­ром, коллектором и базой). Следует иметь в виду, что структуры, показанные на рис.5.1, ни в коей мере не отражают ни реальные размеры, ни соотношения размеров областей. Реальная структура сплавного транзистора (в увеличенном виде) показана на рис.5.2,а. На рис.5.2,б приведена структура (в увеличенном виде) планарного n-p-n транзистора, характерного для интегральной технологии. Технологические аспекты получения транзисторов и микросхем будут рассмотрены в главе 8. Кристалл полупроводника с транзисторной структурой р-п-р помещается в герметический корпус. Внешние выводы изолируются от корпуса. Один из выводов, чаще коллектор­ный, для улучшения теплоотвода соединяется с корпусом.

аб

Рис. 5.2

Принцип действия. Каждый из р-п переходов транзистора может быть смешен в прямом либо обратном направлениях. В зависи­мости от полярности смещений двух переходов возможны четыре ре­жима транзистора. Однако основным является активный (усилительный) режим, при котором эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Ниже подробно описан активный режим транзистора. Другие режимы будут рассмотрены в соответствующих разделах курса. На рис.5.3 крупным планом пока пока­зано стационарное распределение потоков подвижных носителей в транзисторе в активном режиме и распределение потенциалов в кристалле в направлении эмиттер - коллектор. При этом учтены только основные потоки носителей, обусловленные взаимодействи­ем переходов и определяющие сущность транзистора. Но следует иметь в виду, что каждый переход сохраняет полностью и свойст­ва отдельного перехода, рассмотренные в предыдущих главах. Поэтому, кроме указанных на рис.5.3, имеются еще потоки носителей, обусловленные свойствами р-п переходов, на которые будем обра­щать внимание по мере необходимости. В активном режиме в тран­зисторе происходят следующие основные процессы.

Рис. 5.3

Инжекция. В транзисторе р-п переходы выполняют несиммет­ричными, даже односторонними (p_p » n_п). Поэтому можно принять, что через эмиттерный переход, смещенный в прямом на­правлении, имеет место только поток дырок из эмиттера в базу (диффузия дырок через пониженный потенциальный барьер эмиттер­ного перехода) - инжекция дырок в базу. Величина тока эмиттера определяется величиной смещения U_ЭБ и прямой ветвью вольт-ам­перной характеристики диода, т.е. при малом смещении (десятые доли вольта) ток эмиттера достигает величины в десятки и сотни миллиампер.

Диффузия в базе. В равновесии база нейтральна по всей ширине и электрического поля в базе нет. Потенциал по всей ши­рине базы одинаков, и на диаграмме он принят равным нулю, поэ­тому транзистор называется бездрейфовым. Инжектированные дырки в базе являются неосновными носителями. Концентрация равновес­ных неосновных носителей Р_n в базе невелика и инжектированные дырки значительно увеличивают концентрацию неосновных носите­лей - дырок - в базе на границе с эмиттерным переходом, т.е. имеет место процесс возмущения неосновных носителей (см. главу 1, подраздел "Неравновесная концентрация").

Появляется градиент концентрации дырок в базе и начинает­ся диффузия инжектированных дырок от эмиттерного перехода в глубь базы, в сторону коллекторного перехода. Повышенная кон­центрация дырок в базе у эмиттерного перехода поддерживается за счет непрерывной инжекции из эмиттера. В процессе диффузии боль­шая часть инжектированных дырок достигает границы коллекторного перехода. Движение инжектированных дырок через базу имеет слож­ный направленно-хаотический вид, т.е. дырки, как подвижные час­тицы, совершают тепловые хаотические движения, на которые на­кладывается направленное смещение под действием сил диффузии. В целях улучшения направленного движения дырок в базе (от эмит­тера к коллектору) в ней создают электрическое поле, под дейст­вием которого дырки направленно перемещаются (дрейфуют) к кол­лектору. Транзисторы, у которых носители зарядов в базе переме­щаются под действием сил диффузии и электрического поля, на­зывают дрейфовыми.

Экстракция дырок, ток коллектора. Коллекторный переход смещен в обратном направлении и его собственный обратный ток равен тепловому току I_K0. Однако инжектированные дырки, оказав­шиеся в базе, на границе коллекторного перехода подхватываются полем коллекторного перехода и выбрасываются в область коллекто­ра, где они являются основными носителями. Этот процесс называют экстракцией. В результате этого коллекторный ток увеличивается сверх I_K0 и теперь величина тока коллектора I_K определяется концентрацией продиффундировавших через базу инжектированных дырок, или током эмиттера. Таким образом величина тока коллек­торного перехода, смещенного в обратном направлении, определяет­ся величиной тока близко расположенного эмиттерного перехода, т.е. ток коллектора управляется током эмиттера. В этом заключа­ется взаимодействие переходов, и в этом - сущность транзистора. Все остальные потоки и процессы носят сопутствующий характер.

Рекомбинация. Ток базы. Часть инжектированных дырок в про­цессе диффузии в базе встречается с электронами и рекомбинирует. Рекомбинирующие дырки не достигают коллекторного перехода и не участвуют в управлении коллекторным током. Вместо рекомбинированных электронов в базу втекают электроны из внешней цепи по базовому выводу, образуя ток базы. Величина тока базы I_Б опре­деляется интенсивностью рекомбинации в объеме базы (направление токов во внешних выводах соответствует принятому в электротех­нике направлению движения положительных зарядов).

Токи в эмиттерной и коллекторной областях. Движение носи­телей через эмиттерную и коллекторные области на большей части происходит под воздействием слабого электрического поля в этих областях, создаваемого внешними источниками точно так же, как на это было указано при рассмотрении диода. Эти потоки не ока­зывают влияния на работу транзистора и в дальнейшем не рассмат­риваются.