Биполярные транзисторы Структура транзистора и режимы его работы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами, полученными в одном монокристалле полупроводника путём чередующегося расположения областей p- и n-типов проводимости. В зависимости от типов проводимостей слоёв различают транзисторы р-n-р- (рис. 1, б) и n-р-n-типов (рис. 1, в).

Рис. 1

Один из крайних слоев транзисторной структуры с наиболее высокой концентрацией атомов примеси называется эмиттером, другой крайний слой – коллектором, а средний слой – базой. Внешние выводы кристалла от областей эмиттера, коллектора и базы обозначаются соответственно буквами Э, К, Б. Степень легирования базы на два и более порядка меньше, чем у эмиттера, поэтому удельное сопротивление базы значительно больше, чем у эмиттера.

Между эмиттером и базой образуется эмиттерный p-n-переход (ЭП), а между базой и коллектором – коллекторный p-n-переход (КП). Границы p-n-переходов (рис. 1, а) показаны штриховыми линиями. Направления внешних напряжений U_ЭБ и U_КБ на p-n-переходах (рис. 1, б) показаны стрелками.

Основные свойства транзистора определяются процессами, происходящими в базе. Для получения транзисторного эффекта необходимо, чтобы толщина базы удовлетворяла условию, где– диффузионная длина дырок в базе. Толщина базыу современных транзисторов не превышает 1 мкм.

Если база легирована по объёму равномерно, то процесс движения в базе свободных носителей заряда, инжектированных из эмиттера, носит диффузионный характер. Если база легирована неравномерно, то в ней появляется внутреннее электрическое поле. В этом случае диффузионное движение носителей электрического заряда сочетается с их дрейфовым движением. Транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми (диффузионными), а транзисторы с неоднородной базой – дрейфовыми.

В зависимости от сочетания полярностей внешних напряжений, приложенных к p-n-переходам, различают следующие режимы работы транзистора на примере p-n-p-структуры:

– нормальный активный, когда на эмиттерный переход подается прямое напряжение U_ЭБ > 0, а на коллекторный переход – обратное U_КБ < 0;

– насыщения, когда U_ЭБ > 0, U_КБ > 0;

– отсечки, когда U_ЭБ < 0, U_КБ < 0;

– инверсный (активный), когда U_ЭБ < 0, U_КБ > 0.

Физические процессы в транзисторе в различных режимах его работы. В нормальном активном режиме работы транзистора p-n-p-типа дырки из эмиттера инжектируются в базу, вследствие чего концентрация дырок в базе со стороны эмиттера повышается и происходит диффузия дырок по направлению к коллекторному переходу. Поскольку толщина базы мала, то большая часть этих дырок, не успевая рекомбинировать с электронами, достигает коллекторного перехода. Под действием имеющегося в этом переходе электрического поля они сразу переходят в коллектор. Поэтому концентрация дырок в базе вблизи коллекторного перехода близка к нулю. Таким образом, функция коллектора заключается в собирании инжектированных эмиттером свободных носителей электрического заряда.

Поток дырок, инжектируемых из эмиттера в базу, обусловливает дырочную составляющую эмиттерного тока . Кроме того, имеется электронная составляющая эмиттерного тока , связанная с инжекцией электронов из базы в эмиттер. В связи с тем, что степень легирования базы намного ниже, чем эмиттера, справедливо неравенство. Электронная составляющая тока эмиттеране передается в коллектор, а проходит через базовый вывод транзистора и отрицательно влияет на его усилительные свойства. Соотношение между и характеризуется параметром , называемымкоэффициентом инжекции эмиттера .

Часть дырок, инжектированных в базу, рекомбинируют с электронами. Убыль электронов в базе при рекомбинации компенсируются электронами, приходящими от источника внешней цепи через базовый вывод. Этот поток электронов создает рекомбинационную составляющую базового тока. Дырочная составляющая коллекторного токаопределяется потоком дырок, проходящим через базу в коллектор. Соотношение междуи характеризуется параметром δ, называемым коэффициентом переноса дырок через базу . Кроме тока через коллекторный переход протекает неуправляемый обратный ток коллекторногоp-n-перехода, содержащий тепловой ток этого перехода. Тогда результирующий ток коллектора приближённо представляется в виде

, (1)

где –коэффициент передачи эмиттерного тока в нормальном активном режиме, . Чем ближе значениек 1, тем выше усилительные свойства транзистора. Коэффициентзависит от параметров структуры кристалла, параметров режима работы транзистора и температуры кристалла.

В инверсном активном режиме работы происходит инжекция дырок из коллектора в базу и их диффузия, направленная к эмиттеру. Коэффициент передачи тока в инверсном режиме меньше, чем, т. к. площадь эмиттерного перехода меньше, чем площадь коллекторного перехода, а коэффициент инжекции коллектора меньше, чем коэффициент эмиттера.

Режим насыщения транзистора характеризуется инжекцией дырок в базу как из эмиттера, так и из коллектора. Тогда ток базы равен сумме прямых токов двух прямо смещенных p-n-переходов с общей базой.

В режиме отсечки транзистора токи во внешних его выводах определяются обратными токами коллекторного и эмиттерного p-n-переходов.

Статические ВАХ транзистора. Свойства транзистора определяются его статическими входными и выходными вольт-амперными характеристиками, которые зависят от схемы включения транзисторов. Различают следующие схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рис. 2, а); с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 2, б); с общим коллектором (ОК) (рис. 2, в).

ОБ ОЭ ОК

Рис. 2

а б

Рис. 3

Графики семейства статических входных ВАХ транзистора при его включении по схеме с ОБ (рис. 3, а) представляют собой совокупность статических ВАХ эмиттерного перехода при различных значениях напряжения .

При увеличении отрицательного напряжения на коллекторном переходе (в случае транзисторар-n-р-типа) графики входных ВАХ смещаются влево относительно графика ВАХ, соответствующего случаю . Подобное влияние напряженияна входные статические характеристики объясняется эффектом модуляции толщины базы. Этот эффект заключается в том, что увеличение обратного напряжения на коллекторном переходе вызывает увеличение толщины коллекторногоперехода и соответствующее уменьшение толщины базы. Это приводит к возрастанию тока эмиттера прииз-за возрастания градиента концентрации неосновных носителей заряда в базе, которая вблизи эмиттерного перехода определяется уровнем напряжения, а вблизи коллекторного перехода близка к нулю.

При входные ВАХ смещаются вправо относительно графика ВАХ, соответствующего случаюиз-за уменьшенияв результате встречной инжекции дырок из коллектора в базу.

Крутизна графиков статических входных характеристик транзистора определяется параметром , который называетсядифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода и находится как

при .

Отсюда в соответствии с моделью Шокли p-n-структуры , где– тепловой потенциал.

Графики семейства статических выходных ВАХ транзистора при его включении по схеме с ОБ показаны на рис. 3, б. График статической выходной характеристики при иявляется обратной ветвью графика ВАХ коллекторного перехода. Участки ВАХ в первом квадранте системы координат присоответствуют работе транзистора в нормальном активном режиме, когда зависимость токаоти представляется в виде

, (2)

где и– соответственно дифференциальное сопротивление и тепловой ток коллекторного перехода, причем

при. (3)

Формула (2) отличается от (1) наличием в правой части третьего слагаемого, учитывающего незначительный рост тока по мере увеличения, что обусловлено уменьшением толщины базы и наличием поверхностного тока утечки коллекторного перехода.

Начиная с некоторого значения напряжения происходит резкий подъем графиков ВАХ, что обусловлено явлением лавинообразного возрастания интенсивности процесса генерации свободных носителей электрического заряда в коллекторном переходе под действием. Это явление называется пробоем коллекторного перехода. Напряжение пробоя снижается по мере роста рабочего токав связи с возрастанием интенсивности термогенерации свободных носителей заряда.

Участки статических выходных характеристик, расположенные во втором квадранте системы координат, соответствуют режиму насыщения транзистора.

В схеме для получения статических ВАХ транзистора при его включении по схеме с ОБ (рис. 4) потенциометр R1 служит для задания напряжения , аR2 – напряжения . Напряженияиизмеряются вольтметрамиPV1 и PV2, а токи и– миллиамперметрамиPA2 и PA3.

Рис. 4

Графики семейства статических входных ВАХ транзистора при его включении по схеме с ОЭ (рис. 5, а) показывают характер зависимости тока базы от напряжения при .Связь токов транзистора определяется законом Кирхгофа

,

где значение равно сумме рекомбинационной составляющей тока базыи электронной составляющей тока эмиттера.

а б

Рис. 5

При увеличении модуля обратного напряжения на коллекторном переходе () графики входных ВАХ смещаются вправо относительно графика ВАХ, соответствующего случаю, что объясняется уменьшением рекомбинационной составляющей тока базы из-за уменьшения толщины базы.

Графики семейства статических выходных ВАХ транзистора при его включении по схеме с ОЭ (рис. 5, б) показывают характер зависимости от, когда=const. Круто нарастающие участки выходных характеристик соответствуют режиму насыщения, пологие участки – активному режиму работы транзистора. Для активного режима из выражения (2), равенств иследует, что

, (4)

где – коэффициент передачи тока базы в коллекторную цепь, причем

при ;

ток коллекторного перехода при ,; обратный ток коллекторного перехода в схеме включения транзистора ОБ;  дифференциальное сопротивление коллекторного перехода при включении транзистора по схеме с ОЭ

при .

Статические ВАХ транзистора сильно зависят от температуры. С повышением температуры графики выходных характеристик смещаются вверх вследствие возрастания значений ,,. Зависимость значенийиот температуры является более сильной, чем зависимость значенийи. Поэтому на характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис. 6), температура влияет намного сильнее, чем на характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ.

Рис. 6