Лекция 7 Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока. Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл полупроводник подсоединен к внешнему выводу. Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод – коллектором.

На рис. 7.1,а показано схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 7.1,б).

Транзистор p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 7.2, а. Более простой вариант условного графического обозначения – на рис. 7.2,б.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна. Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это можно объяснить тем, что основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а транзисторах типа p-n-p дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Рис.7.1 Структура транзистора типа n-p-n (а) и его графическое обозначение (б)

Рис.7.2. Структура транзистора типа p-n-p (а)

и его графическое обозначение (б)

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора. В основе работы биполярного транзистора типа n-p-n лежат те же физические процессы, которые рассмотрены при изучении полупроводникового диода. Особенности транзистора определяются особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, показанное на рис. 7.3. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот.

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимости от приложенных к его переходам напряжений. На Рис.7.3 показан транзистор у которого эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт, что достигается соответствующим включением источников питания.

Рис. 7.3. Носители зарядов при включении транзистора

Благодаря смешению перехода база-эмиттер в пря­мом направлении электроны из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят по базе p-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисто­ре коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехо­да база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе p-типа в процессе диффузии в сторону коллекто­ра? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеет­ся лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отри­цательный заряд и батарея, которая является источником положительного заряда (дырок) поставляет его в базу, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом на­правлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиле­ния тока

β = I_к.n/I_б.

Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизитель­но 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100, поскольку область эмиттера n-типа специ­ально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер.

Эффектив­ность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции, величина которого обычно составляет примерно 0,999:

γ = I_эn/I_э

где I_эn - часть тока эмиттера, вызванная прохож­дением электронов,

I_э = I_э.n + I_э.p — полный ток эмиттера, I_э.n ― электронная составляющая тока,

I_э.p - дырочная составляющая тока.

Переход носителей зарядов из области, где они были основными, в такую об­ласть, где они становятся неосновными, называется инжекцией зарядов. Переход носителей зарядов из области, где они были неосновными, в область, где они становятся основными, называется экстракцией зарядов

Эффектив­ность базы оценивается коэффициентом рекомбинации δ:

δ = I_к.n/ I_э.n,

где I_{к n} - часть тока коллектора, вызванная прохож­дением носителей зарядов.

Эффектив­ность транзистора оценивается коэффициентом α:

α = I_к.n/ I_э = γ δ,

где α - коэффициент передачи тока эмиттера транзис­тора или коэффициент усиления по току.

Дырки из коллектора как неосновные носители за­рядов будут переходить в базу, образуя обратный ток коллектораI_кбо:

I_к = α I_э + I_кбо.

Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, по­скольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве.