включении, обратном обычному. Отсюда произошло его название - обращенный диод. Сопротивление обратной ветви характеристики мало и диод обладает в этой области хорошими высокочастотными свойствами. Такой диод в устройствах хорошо согласуется с туннельными диодами, эффективен при детектировании малых высокочастотных колебаний.

Если концентрацию примесей сделать меньше, чем в обращенном диоде, то участок характеристики с туннельным механизмом переноса носителей тока отодвинется в область отрицательных смещений. Это туннельный пробой р-п диода, обсуждавшийся ранее.

Глава 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.1. Принципы действия

Изучение основного полупроводникового прибора – биполярного транзистора – начнем на модели в виде монокристалла полупроводника, в которой введением примесей образована р-п-р или п-р-п структура (рис. 3.1). Будем считать, что примеси распределены в каждой области структуры равномерно.

Б

Б

Рис. 3.1. Структура биполярного транзистора (а) и его схемное обозначение с указанием положительных направлений токов и напряжений.

Вопросы технологии и технологические разновидности транзисторов будут рассмотрена позднее в связи с анализом и уточнением свойств приборов. Характерна для транзисторов всех типов малая ширина средней, базовой, области: от единиц микрон для высокочастотных до десятков микрон для низкочастотных высоковольтных транзисторов.

На рис. 3.2 изображена одномерная транзисторная р-п-р структура (рис. 3.2 а), распределение некомпенсированного заряда примесей (рис. 3.2 б) и поле в ней. Образуются два р-п перехода с потенциальными барьерами, препятствующими движению основных носителей. Высота потенциальных барьеров определяется в отсутствие внешних напряжений концентрацией примесей [см. (2.3)]. Концентрация примесей наибольшая в эмиттере транзистора. Поэтому контактная разность потенциалов больше на эмиттерном переходе, чем на коллекторном (u0Э > u0К).

Рис. 3.2. Распределение зарядов и поле в р-п-р транзисторе

При нормальном включении транзистора на эмиттерный переход подается прямое смещение uЭ > 0, а на коллекторный обратное uК < 0. Это понижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, что вызывает инжекцию дырок из эмиттера в базу. Высота потенциального барьера коллекторного перехода увеличена, что вызывает расширение коллекторного запорного слоя и соответственное уменьшение ширины базы с в0 до в .

Инжектированные дырки диффундируют через базу от эмиттера к коллектору и, достигая коллектора, подхватываются полем коллекторного перехода.

Распределение неосновных носителей в р-п-р структуре изображено на рис. 3.3. Поведение концентрации в области запорных слоев не детализировано.

Рисунок 3.3 соответствует небольшому прямому смещению на эмиттерном и обратному смещению на коллекторном переходах.

Ток через эмиттерный переход такой же, как в диоде с короткой слаболегированной (базовой) областью. В транзисторе ширина базы в много меньше диффузионной длины неосновных носителей, в данном случае дырок (в « Lp). Вследствие этого градиент концентрации инжектированных дырок обратнопропорционален ширине базы. Ток через эмиттерный переход равен сумме тока дырок и встречного тока электронов

Рис. 3.3. Распределение концентрации неосновных носителей в p-n-р структуре

В процессе диффузии через базу часть дырок рекомбинирует и число дырок, достигающих коллекторного запорного слоя уменьшается ( ipК < ipЭ). Если не учитывать возможное размножение носителей в коллекторном

где ipК – ток электронов из р – коллектора в n - базу. Приближенно [–inК] равен току IК0 через коллекторный переход при разорванной цепи эмиттера.

ток [– inЭ] восполняет инжекцию электронов из базы в эмиттер, а ток [– ( ipЭ – ipК)] восполняет электроны, рекомбинирующие с диффундирующими от эмиттера к базе дырками.

Управляемая входным (базовым или эмиттерным) током составляющая выходного (коллекторного) тока является ipК. В связи с этим вводятся параметры эффективность эмиттера

же коллектора почти не зависит от изменений большого обратного смещения на коллекторном переходе. Транзистор преобразует ток в малом входном

сопротивлении в пропорциональный ток в большом выходном сопротивлении, что дает эффекты усиления.

3.2. Аналитический вывод вольтамперных характеристик

Полный ток эмиттера есть (3.1). Ток электронов из базы в эмиттер

Здесь предполагается, что протяженность эмиттера больше диффузионной длины инжектируемых электронов и, следовательно, градиент концентрации обратен Lэ. Инжектированная концентрация

Близкое расположение эмиттерного и коллекторного переходов влияет на условия диффузии неосновных носителей в базе. Следует решить уравнение непрерывности (1.28) с учетом граничных условий на двух переходах. Общее

Предполагая, что имеем дело с нормальным транзистором, в котором специально база делается тонкой в << Lб = Lp (3.14) можем (3.11) представить первыми членами разложения в степенной ряд. При ограничении двумя членами ряда

pn x pn0 C3 C4 x (3.15)

Коэффициенты С3 и С4 находим из граничных условий (3.12 и 3.13)

С3 pn 0 pn0 pn0 euЭ uT 1 ,

С4 1в pn0 euК uT 1 euЭ uT 1 .

Ток диффузии дырок в базе равен

В соответствии с аппроксимацией (3.15) ток дырок в базе не зависит от X и одинаков у эмиттерного и коллекторного переходов. Это эквивалентно тому, что в рассматриваемой модели коэффициент переноса

αТ = 1.

Далее будут выяснены необходимые поправки в решение для αТ < 1. Суммируя токи дырок (3.16) и электронов (3.10), находим полный

ток эмиттера (3.1). Ток коллектора будет иметь такой же вид вследствие принципиальной симметрии транзистора. Достаточно заменить параметры, характеризующие эмиттер nЭ0 и LЭ на параметры, характеризующие коллектор, nК0 , LК и напряжение uЭ на uК в (3.10)

Система (3.18) описывает транзистор при любой полярности напряжений. Для нормального включения (uЭ > 0, uК < 0) нагяднее

Рассмотрим зависимость коэффициента усиления по току α от параметров материала транзистора и от ширины базы. Поскольку в рассматриваемой модели коэффициент переноса αТ = 1, то в соответствии с (3.7) α = γ. Следовательно,

Учитывая соотношение Эйнштейна D = uT μ, зависимость равновесной концентрации носителей от концентрации примесей [см. (1.13), (1.15)] и выражение для проводимости в (1.2), получаем для отношения

Следовательно, для увеличения γ нужно делать базу тонкой и с малой концентрацией примесей. Концентрация примесей в эмиттере должна быть большой.

Если учесть третий член разложения (3.11) в степенной ряд, то получим выражение для αТ , учитывающее уменьшение тока дырок при их прохождении через базу вследствие рекомбинации с электронами

Видно, что эффект рекомбинации ослабляется при тонкой базе. В результате, получаем аппроксимацию для коэффициента усиления по току

Рассматриваемая модель учитывает основные эффекты, влияющие на параметры транзистора. Так, изменение коллекторного напряжения изменяет ширину коллекторного перехода и тем модулирует ширину базы (эффект Ирли). Увеличение коллекторного напряжения уменьшает ширину базы и увеличивает α. Качественно учитывается и модуляция проводимости базы при изменении тока эмиттера. Увеличение тока эмиттера сопровождается повышением концентрации носителей тока в базе (повышенный уровень инжекции), что увеличивает проводимость базы ζБ и в соответсвии с (3.23) уменьшает α.

В то же время есть эффекты, не учитываемые рассматриваемой моделью. Так, при уменьшении тока эмиттера выражение (3.23) не обнаруживает падение α , которое обнаруживается экспериментально. Дело в том, что в модели не учтен ток, вызываемый явлениями генерации носителей в запорной слое. При малых токах эта составляющая становится ощутимой, что проявляется в уменьшении эффективности эмиттера γ. При