4.3. Контакт полупроводников n-p-n и p-n-p типа Транзисторные переходы

P-n-p и n-p-n переходы называются транзисторными и являются основой биполярных транзисторов, которые представляют собой два последовательно соединенных p-n перехода, включенных во встречных направлениях..

Рис.4.5. Структура p-n-p транзистора

На рис. 4.6. приведена зонно-энергетическая диаграмма p-n-p перехода в состоянии термодинамического равновесия (а) и активного режима (б). Средняя область, которая находиться между коллектором и эмиттером называется базой,

Рис.4.6. Зонная диаграмма p-n-p транзистора.

В активном режиме, позволяющем усиливать сигналы, один из переходов находиться при прямом, а другой при обратном смещении. Таким образом, создается прямой электронный ток (ток неосновных носителей базы) из прямо смещенного перехода (эмиттер) в обратно смещенный переход (коллектор). Часть носителей рекомбинирует в объеме базы и на ее поверхности. Для уменьшения этих потерь ширина базы должна быть меньше диффузионной длины носителей данного типа. В активном режиме переход представляет собой усилитель, т.к. изменение тока во входной цепи (эмиттере) приводит к изменению тока в выходной цепи (коллекторе). Очевидно, что изменение тока коллектора в данном случае не может быть больше изменения тока эмиттера, т.е. коэффициент усиления по току будет меньше единицы. Однако, такое включение может дать усиление по мощности, так как токи эмиттера и коллектора почти равны, но величина нагрузочного сопротивления в цепи много больше сопротивления эмиттера при прямом смещении.

Основным способом включения биполярного транзистора является включение с общей базой, как это показано на рис.4.5. В этом случае усилительные свойства характеризуются коэффициентом передачи тока (h) равным отношению изменения выходного тока к изменению входного. Переменные составляющие токов эмиттера I_Э и I_K можно отождествить с изменениями этих токов, поэтому

Эмиттерный p-n преход включен в прямом направлении и ток через него состоит из дырок, инжектированных в n- область, и электронов, инжектированных в p-область, т.е. I_Э = I_p_Э + I_n_Э.Тогда

(4.28)

где γ_Э –эффективность эмиттера;

β - коэффициент переноса;

γ_К- эффективность коллектора.

Эффективность эмиттера. Этот параметр определяет часть тока через эмиттерный переход. Именно эта часть тока является полезной для работы транзистора. Как следует из (4.28)

(4.29)

Для получения высокой эффективности эмиттера необходимо, чтобы I_p_Э>>I_p_Э . В этом случае с учетом известных соотношений

и (4.30)

можно написать

(4.31)

Из формулы видно, что для увеличения γ_Э необходимо, чтобы n_p<<p_n . Так как n_p p_n = n_n p_n_,то в качестве эмиттерного пререхода применяется несимметричный p-n переход в котором p_p>>n_n.

Коэффициент переноса.

Это главный параметр, определяющий зависимость характеристик транзистора от частоты и режимов смещения. По определению

(4.32)

Считая, что электрическое поле в базе равно нулю можно написать

I_p_К = qSD_pp|_x₌_w I_p_Э = qSD_pp|_x₌₀

Где за х = 0 принята граница база-эмиттер, а за x = w –граница база-коллектор. Таким образом, вычисление токов сводиться к определению распределения концентрации инжектированных носителей в базе и вычислению производных в точках x=0 и x=w. В результате, используя известные соотношения и считая градиент концентрации неравновесных носителей в базе линейным, можно получить выражение для коэффициента переноса в виде

(4.33)