9. Энергетическая модель биполярного транзистора

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Процессы в р–n-переходе зависят от полярности внешнего источника напряжения. Если источник с напряжением подключен плюсом к р-области, а минусом к n-области (рис. 4.2, а), то он внутри кристалла создает электрическое поле, направленное навстречу внутреннему электрическому полю р–n-перехода, обусловленному потенциальным барьером. В результате происходит снижение потенциального барьера до величины (рис. 4.2, б).

Основные носители диффундируют через р–n-переход более интенсивно, так как этому способствует снижение потенциального барьера. В результате р–n-переход обогащается подвижными носителями зарядов и снижается его сопротивление. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения до приводит к исчезновению потенциального барьера и свободной диффузии основных носителей в те области, где они являются неосновными. Это явление, возникающее при снижении потенциального барьера, называют инжекцией.

Движение основных носителей через р–n-переход создает электрический ток и во внешней цепи. Уход электронов из n-области в р-область и исчезновение их за счет рекомбинации восполняется электронами, которые поступают из внешней цепи от минуса источника внешнего напряжения. То же самое происходит с дырками. Убыль дырок из р-области (в сторону р–n-перехода) пополняется за счет ухода электронов с ковалентных связей во внешнюю цепь к плюсу источника.

Движение неосновных носителей (например, дырок в n-области) происходит как за счет диффузии (вблизи р–n-перехода), так и за счет дрейфа в глубине кристалла под действием прямого напряжения при дальнейшем его увеличении. На определенном расстоянии от р–n-перехода концентрация инжектированных зарядов убывает до нуля вследствие рекомбинации.

Таким образом, при прямом напряжении на р–n-переходе во внешней цепи возникает ток, создаваемый встречным движением дырок и электронов. За счет зарядов, поступающих от источника, непрерывно осуществляется рекомбинация инжектируемых неосновных носителей. Величина тока при прямом внешнем напряжении резко возрастает с ростом , то есть сопротивление р–n-перехода становится очень малым.

Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

При обратном напряжении минус источника подключается к р-области, а плюс – к n-области (рис. 4.3, а). При этом внешний источник внутри кристалла создает напряженность электрического поля, совпадающую по направлению с напряженностью электрического поля, обусловленной контактной разностью потенциалов в зоне р–n-перехода.

Так как р–n-переход обладает большим сопротивлением, то внешнее напряжение почти полностью прикладывается к слою кристалла, где существует р–n-переход. В результате происходит суммирование векторов напряженности электрического поля, создаваемых внешним источником напряжения и объемными зарядами атомов примесей на границе раздела. Это приводит к возрастанию потенциального барьера до величины (рис. 4.3, б).

Из-за повышения потенциального барьера диффузия основных носителей зарядов практически совсем прекращается. Основные носители отходят от р–n-перехода под действием , ширина слоя, обедненного носителями заряда, возрастает, следовательно, растет сопротивление р–n-перехода.

Однако внутреннее поле р–n-перехода способствует переходу через него неосновных носителей, образующих при встречном движении обратный ток (см. рис. 4.3, а). Так как концентрация их мала, то мала и величина этого тока. Обратный ток мало зависит от величины , он является по существу дрейфовым тепловым током.

Процесс захвата неосновных носителей полем р–n-перехода называется экстракцией. Убыль неосновных носителей из глубинных слоев кристалла ПП компенсируется зарядами, поступающими из внешнего источника. Следовательно, во внешней цепи возникает ток, равный обратному. Величина сильно зависит от температуры, но этот ток очень мал по сравнению с током через р–n-переход при прямом внешнем напряжении.