1.Цель работы

Целью работы является изучение конструкции и принципа действия биполярного транзистора, исследование статических ха­рактеристик кремниевого n-р-n транзистора в схеме с общей базой.

2. Теоретические сведения

Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n переходами и тремя электродами. Работа полупроводниковых транзисторов основана на движении носителей зарядов обоих типов - электронов и дырок, поэтому они называ­ются биполярными. Назначение транзисторов - усиление электриче­ской мощности. Р-n переходы в биполярном транзисторе образуют­ся на границах чередующихся слоев р и n-типа монокристалла полупроводника. В зависимости от типа проводимости чередующихся слоев полупроводника различают биполярные транзисторы р-n-р и n-р-n типа. На рис. 1 приведена упрощенная структура транзис­тора n-р-n типа.

Рис. 1. Структура биполярного n-p-n транзистора

Области монокристалла через омические контакты соединены с соответствующими электродами (выводами) транзистора. Цент­ральная область называется базой, а крайние - эмиттером и коллектором. Переход, образованный областью эмиттера и базы назы­вают эмиттерным р-n переходом, а переход между базой и коллек­тором - коллекторным переходом. У реальных транзисторов струк­тура несимметрична, коллекторный переход имеет значительно большую площадь, чем эмиттерный, а область эмиттера обладает наибольшей проводимостью благодаря высокой степени легирования примесью. В нормальном режиме работы эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Принцип действия биполярного транзистора основан на инжекции в базу не­основных носителей через прямосмещенный эмиттерный переход и экстракции прошедших через базу носителей коллекторным перехо­дом. Для улучшения экстракции коллекторный переход имеет большую площадь по сравнению с эмиттерным, что позволяет собирать боль­шую часть неосновных носителей, инжектированных в базу. По механизму двоения носителей заряда (электронов или дырок) в базе биполярные транзисторы делятся на бездрейфовые и дрейфо­вые. Бездрейфовые транзисторы изготавливаются методом сплав­ления и имеют однородную базу, поэтому механизм переноса но­сителей заряда - диффузия. Благодаря инжекции носителей из эмиттера у эмиттерного перехода концентрация неосновных носи­телей в базе больше по сравнению с равновесной, а у коллекторного перехода благодаря экстракции - меньше, поэтому инжектиро­ванные носители движутся от эмиттерного перехода к коллектор­ному через базу под действием градиента концентрации. Дрейфо­вые транзисторы обычно получают методом диффузии примеси, по­этому база неоднородна, а примесь распределена таким образом, что инжектированные носители движутся в поле, образованном ионами примеси. Перенос носителей через базу обусловлен как диффузией, так и дрейфом в электрическом поле, но основное влияние оказывает дрейф, т.к. дрейфовая скорость больше диф­фузионной. Поэтому дрейфовые транзисторы обладают лучшими усилительными и частотными свойствами, чем бездрейфовые.

На рис 2 приведено условное графическое изображение биполярных транзисторов n-р-n и р-n-р типа с указанием нап­равления токов в нормальном режиме.

n-p-n p-n-p

Рис. 2. Условное графическое изображение биполярных транзисторов

Необходимо учитывать, что стрелкой указывается направле­ние тока, при этом поскольку за положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, то в тран­зисторе n-р-n типа ток направлен встречно движению электронов, а в транзисторе р-n-р типа направление тока совпадает с направ­лением движения дырок. Соответственно в нормальном режиме ра­боты транзистора n-р-n типа на эмиттере должен быть отрицатель­ный потенциал относительно базы, а на коллекторе - положитель­ный. Для транзистора р-n-р типа - положительный на эмиттере и отрицательный на коллекторе.

На рис.3 приведены зонные диаграммы транзистора n-р-n типа в нормальном режиме работы с указанием направления движе­ния носителей. Составляющие токов обусловленные движением электронов, указаны со знаком минус.

В равновесном состоянии концентрация электронов в эмиттере n-типа значительно больше, чем концентрация дырок, концент­рация дырок в базе р-типа значительно больше, чем электронов, а концентрация электронов в коллекторе больше, чем дырок. Поэтому на зонной (энергетической) диаграмме уровень Ферми φ_F в запре­щенной зоне в области эмиттера и коллектора n-типа расположен ближе к дну зоны проводимости, а в базе n-типа - смещен к по­толку валентной зоны. Т.к. температура и средняя энергия элек­тронов одинакова во всех областях монокристалла, в равновесном состоянии уровни Ферми всех слоев совпадают, устанавливается Больцмановское равновесие, токи диффузии уравновешены дрейфо­выми токами в поле объемных зарядов р-n переходов.

Рис. 3. Зонные диаграммы биполярного транзистора

В неравновесном состоянии разность уровней Ферми слоев n и p типа определяется величиной внешнего напряжение, приложен­ного к р-n переходу.

Т.к. эмиттерный переход смещен в прямом направлении, высо­та потенциального барьера эмиттерного перехода уменьшается, в базу из n-области эмиттера инжектируются электроны, а из базы р-типа в эмиттер инжектируются дырки. Т.к. область базы должна оставаться электрически нейтральной, избыток электронов, возни­кающих вследствие ухода дырок через эмиттерный переход , компен­сируется уходом электронов во внешнюю цепь через электрод базы. Обратно-смещенный коллекторный переход захватывает электроны, инжектированные в базу. По мере движения электронов к коллектору в базе р-типа, часть из них рекомбинирует с дырками, что также для сохранения электрической нейтральности вызывает уход избы­точных электронов во внешнюю цепь через базу. Кроме того, через коллекторный переход протекает обратный ток, обусловленный дви­жением неосновных носителей - дырок из коллектора n-типа и электронов из базы. Этот ток также протекает через электрод базы.

На рис. 4 приведена модель транзистора, отражающая составляющие токов через транзистор.

Рис. 4. Модель биполярного n-р-n транзистора

Ток эмиттера содержит электронную и дырочную составляющие

Электронная составляющая тока эмиттера содержит две составляющих:

I_nк –транзитная составляющая, обусловленная достигающими коллектор электронами;

I_бpek - рекомбинационная составляющая, учитывающая потери электронов в процессе рекомбинации в базе.

Ток коллектора содержит транзитную электронную составляющую тока эмиттера и обратный ток коллекторного перехода

Ток базы содержит три составляющих - дырочную составляющую то ка эмиттера, рекомбинационную составляющую электронного тока эмиттера и обратный ток коллектора:

В целом в соответствии с принятыми направлениями токов

Чем больше электронная составляющая тока эмиттера, тем больше носителей захватывается коллектором и тем больше ток коллектора. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции, который показывает, какую часть от тока эмиттера составляет электронный ток:

Для увеличения коэффициента инжекции эмиттерный переход выполняют несимметричным, а инжекция через переход имеет одно­сторонний характер. Величина коэффициента инжекции определяет­ся теоретически:

где , - проводимость базы и эмиттера;

𝜔 - ширина базы;

- диффузионная длина дырок в эмиттере.

Из-за рекомбинации в базе не все инжектированные электро­ны достигают коллектора. Влияние рекомбинации учитывается коэф­фициентом переноса 𝜘, который равен отношению количества достигнувших коллектор электронов к количеству инжектированных электронов

𝜘 =1-

где - диффузионная длина электронов в базе.

Коэффициент передачи тока эмиттера равен отношению при­ращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмит­тера при неизменном напряжении на коллекторном переходе.

Коэффициент передачи тока эмиттера является основным пара­метром транзистора и связан с коэффициентом инжекции и коэффи­циентом переноса соотношением

α = γ

В общем виде в нормальном режиме токи через транзистор связаны соотношением

Из выражений для 𝛾 и 𝜘 видно, что оба коэффициента, а следовательно и α, несколько меньше единицы. Практически α = 0,9 - 0,999. Для увеличения α необходимо увеличивать 𝛾 и 𝜘, что достигается в первую очередь уменьшением толщины базы w. Дрейфовые транзисторы технологически позво­ляют получить более тонкую базу, что кроме увеличения α сокращает время пролета носителей через базу и увеличивает быстродействие.

В схеме с общей базой (рис.5а) электрод базы является общим для входной и выходной цепей - напряжения на электродах отсчитываются относительно базы. Цепь эмиттера является входной цепью, а цепь коллектора - выходной. В схеме с общим эмиттером входным (управляющим) является электрод базы, а выходным - кол­лектор. Входными параметрами являются ток базы и напряжение между базой и эмиттером. Выходные параметры - ток коллектора и напряжение на коллекторе относительно эмиттера. Схема с общим эмиттером имеет наибольшее распространение. В схеме с общим кол­лектором входным электродом является база, а выходным - эмиттер.

Рис. 5. Схемы включения транзистора

Статическими характеристиками называют зависимости (графи­ки), выражающие функциональную связь между токами и напряжения­ми транзистора. Наиболее распространены гибридные характеристи­ки, в которых в качестве независимых переменных приняты входной ток и выходное напряжение:

(1)

В соответствии с системой (1) получают четыре семейства характеристик:

Входные характеристики:

, (2)

Выходные характеристики:

(3)

Характеристики прямой передачи:

(4)

Характеристики обратной связи:

(5)

Два семейства характеристик из уравнений (2-5) являются независимыми.

На практике обычно пользуются входными и выход­ными характеристиками. В справочниках приводят эксперименталь­но полученные семейства характеристик (2) и (3).

Для транзистора, включенного по схеме ОБ (рис.5,а) вход­ным электродом является эмиттер, а выходным - коллектор, поэто­му система уравнений (2-5) имеет вид:

Входные характеристики:

(6)

Выходные характеристики:

, (7)

Характеристики прямой передачи:

, (8)

Характеристики обратной связи:

, (9)

Для аналитического описания семейств статических характе­ристик транзисторов пользуются эквивалентной схемой или физи­ческой моделью. Широко используется модель Эберса-Молла, пред­ставляющая транзистор как совокупность двух встречновключенных взаимодействующих р-n переходов. Взаимодействие переходов заключается в собирании одним из переходов носителей, инжекти­рованных другим переходам. Поэтому кроме двух встречновключенных диодов физическая модель транзистора содержит два источни­ка тока (рис. 6).

Рис. 6. Эквивалентная схема транзистора - модель Эберса-Молла

Ток прямосмещенного эмиттерного р-n перехода соби­рается коллектором - этот процесс отражен в схеме источником . Собирание тока прямосмещеиного коллекторного перехода отражено источником . Токи и - это токи инжекции соответственно эмиттера и коллектора, a и - нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока, причем .

На основании закона Кирхгофа для схемы Эберса-Молла можно записать:

(10)

(11)

Токи инжекции как и для изолированных диодов связаны с напряжениями на переходах уравнениями:

(12)

(13)

где , - тепловые токи диодов.

измеряется при , = 0, а при , .

На практике обеспечить режим короткого замыкания соответствующего диода сложно, так как влияет объемное сопротивление соответствующего слоя. Проще обеспечить режим холостого хода (обрыв цепи), поэтому в справочниках приводят обратные токи эмиттера при , и коллектора при , .

При обратном смещении эмиттерного перехода и обрыв® кол­лектора из уравнений (10,11,12) получим:

Из последних уравнений получим:

(14)

При обратном смещении коллекторного перехода и обрыве эмиттера уравнения (10,11,13) примут вид

Решение системы

(15)

Подставив в (10,11) формулы (12 15), получим уравнение Эберса-Молла

(16)

I_к (17)

(18)

(19)

Уравнения (16-19) являются математической моделью транзистора.

Выразив из (16) множитель (е^UK/Т-1) и подставив его в (17), получим семейство коллекторных характеристик (U_К) с параметром

(20)

Подставив в формулу (16) формулы (14,15,19) и решив уравне­ние относительно , получим семейство входных характерис­тик.

(21)

В зависимости от знаков напряжений на переходах и направле­ний токов транзистора различают 4 режима работы:

1. нормальный режим - - эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном;

2. режим отсечки - - оба перехода закрыты;

3. режим насыщения - - оба перехода открыты;

4. инверсный режим - .

Для p-n-p транзистора полярности напряжений обратные.

На рис. 7 приведено построенное по формуле 20 семейство выходных характеристик идеализированного транзистора.

При обратном смещении коллекторного перехода и , (е^UK/Т−1)0,

.

Ток коллектора теоретически не зависит от напряжения на коллекторе. У реальных транзисторов c ростом обратного напряжения на коллекторе ток коллектора несколько возрастает, что обусловлено модуляцией толщины базы w. Ширина р-n перехода возрастает, переход расширяется в область базы, толщина базы уменьшается, что приводит к уменьшению рекомбинации электронов и росту тока коллектора при неизменном токе эмиттера. При и ток - через коллектор протекает обратный ток перехода. В целом при = 0 зависимость представляет собой вольт-амперную характеристику коллекторного перехода с резким возрастанием тока коллектора при изменении знака (пря­мом смещении).

Рис. 7. Семейство выходных характеристик

На рис. 8 приведены равновесное и неравновесное распределение неосновных носителей (электронов) в базе р-типа.

Рис. 8. Равновесное и неравновесное (нормальный режим) распределение носителей в базе транзистора

В нормальном режиме работы эмиттерный переход смещен в прямом направлении, граничная концентрация инжектированных носителей намного больше равновесной:

Коллекторный переход смещен в обратном направлении, гра­ничная концентрация много меньше равновесной:

Соответственно граничные избыточные концентрации носителей.

𝛥 ( )

𝛥

Так как толщина базы w значительно меньше диффузионной длины электронов: w , то распределение инжектирован­ных носителей в базе практически линейно для нор мального режима работы.

На рис. 9 приведены построенные по формуле 21 входные характеристики транзистора.

Рис. 9. Семейство входных характеристик

При Uк =0 формула 21 принимает вид:

Входная характеристика проходит через начало координат и представляет собой ВАХ эмиттерного перехода. При прямом смещении коллекторного перехода характеристика смещается вправо, т.к. увеличение слагаемого α_N(е^UK/Т−1) приводит к росту при неизменном I_Э, а при обратном смещении уменьшается, график сдвигается влево:

На рис. 10 приведено распределение неосновных носителей заряда в базе для различных режимов работы. Каждое распределение соответствует указанным точкам на входных и выходных характе­ристик.

Рис. 10. Распределение носителей заряда в базе для различных режимов работы транзистора

1, 11 - режим отсечки;

2, 3 - нормальный режим;

5, 6, 7, 10 - режим насыщения;

12 - инверсный pежим;

4 - граничный режим между нормальным и насыщением;

8 - граничный между нормальным и отсечкой;

9 - граничный между инверсным и насыщением;