Глава 3

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы часто называют просто транзисторами.

Биполярные транзисторы – полупроводниковые приборы, состоящие из трёх чередующихся областей проводимости, которые могут быть использованы для усиления сигналов.

В биполярных транзисторах существует как минимум дваp-n-перехода. В нормальном режиме один p-n-переход включается прямо, другой – обратно. Один p-n-переход является источником носителей заряда – эмиттер, другой – сборщиком этих носителей – коллектор.

Транзистор является усилительным прибором.

В транзисторе возможны три основных режима работы:

1. Режим отсечки. Оба p-n-перехода закрыты, т. е. находятся под обратным смещением.

2. Режим насыщения. Оба p-n-перехода находятся под прямым смещением.

3. Активный режим работы. Один p-n-переход находится под прямым смещением, а другой p-n-переход – под обратным смещением.

В режиме отсечки и насыщения транзистор почти неуправляемый.

В активном режиме транзистор – управляемый прибор.

Если эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход − в обратном смещении (закрыт), то такой режим называется нормальным режимом работы транзистора.

Если эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт, то такой режим называется инверсным режимом.

Часто инверсное включение транзистора является аварийным.

Основные характеристики транзистора определяются процессами, происходящими в базе.

Наиболее распространены т. н. диффузионные транзисторы.

В таких устройствах области транзистора формируются за счёт диффузии примесей на пластине полупроводника.

Область 1 получила название зоны активной базы, а зона 2 – зоны пассивной базы. Зона 3 – периферийная база.

1) В зоне базы может наблюдаться ускоряющее электрическое поле для движения носителей от эмиттера к коллектору даже без наличия внешних электрических полей. Транзистор с такой базой получил название дрейфового транзистора.

2) Внутри базы отсутствует электрическое поле. Такой транзистор получил название бездрейфового транзистора.

Транзисторы, изготовленные с помощью планарной технологии, будут дрейфовыми. Бездрейфовые же получают только путём сплавления.

Будем рассматривать дрейфовые транзисторы.

3.1 Основные схемы включения транзисторов

Т. к. выводов у транзистора три, то возможны три схемы включения:

1) с общим эмиттером;

2) с общей базой;

3) с общим коллектором.

“Общий” − значит, что данный вывод транзистора является общим для входной и выходной цепи.

Для с схемы с общим эмиттером входной цепью будет база, а выходной – коллектор.

Стрелочкой обозначается направление движения носителей заряда при прямом включении.

В этих схемах анализируют входные и выходные токи и не анализируют токи по общему выводу.

Сначала будем рассматривать статический режим – постоянный ток.

3.2 Распределение потока носителей заряда в биполярном транзисторе

3.2.1 Активный режим работы

Эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном направлении.

= + ; (3.1)

= , (3.2)

где − ток, возникающий за счёт рекомбинации электронов в базовой области;

− обратный ток через коллекторный переход, тепловой ток;

− этот ток возникает за счёт появления носителей в обратно смещённом p-n-переходе.

Для схемы с общей базой:

= − коэффициент передачи. (3.3)

Выходным током является ток через коллектор, а входным – через эмиттер.

< 1 – для увеличения коэффициента передачи нужно уменьшать ток базы.

Для схемы с общим коллектором:

= . (3.4)

Для уменьшения тока базы необходимо принять следующие меры:

для уменьшения составляющей увеличить концентрацию примесей;

для уменьшения тока рекомбинации в базе толщину базы необходимо делать как можно меньше, так, чтобы за время жизни носителей заряда последние успевали пройти область базы;

физический вывод базы стараются делать как можно дальше от эмиттерного перехода, чтобы электроны, попавшие в базу, не успевали достигать базового вывода.

При изготовлении транзисторов поверхность полупроводника обрабатывают таким образом, чтобы уменьшить вероятность рекомбинации на его границах. За счёт этого уменьшается обратный ток через коллекторный переход.

>> , т. к. любые носители заряда должны быть перехвачены коллектором.

При выполнении коллекторного перехода его стараются делать менее легированным, чтобы было больше напряжение пробоя.