- •Тема 4. Биполярные транзисторы
- •4.1. Биполярные транзисторы Конструкция. Режимы работы.
- •4.2 Зонные диаграммы биполярного транзистора.
- •4.3 Токи в транзисторе. Коэффициент передачи тока эмиттера. Коэффициент инжекции. Коэффициент переноса.
- •4.4 Модель Эберса – Молла биполярного транзистора.
- •4.5 Схемы включения биполярного транзистора
- •4.6 Входные вах биполярного транзистора в схеме включения об.
- •4.7 Выходные вах биполярного транзистора в схеме с об.
- •4.8 Вах реальных транзисторов.
Тема 4. Биполярные транзисторы
4.1. Биполярные транзисторы Конструкция. Режимы работы.
Транзистор – transfer resistor (дословно - переносить сопротивление).
Нобелевская премия 1956 г.:
- Дж. Бардин и В.Х Браттейн - точечный транзистор, 1948 г.
- В. Шокли - плоскостной транзистор, 1949 г.
Конструкции транзисторов
Упрощенные структуры биполярных транзисторов:
В зависимости от полярности напряжения на переходах различают 4 режима:
1. Активный нормальный.
Эмиттерный переход – инжектирующий заряды.
Коллекторный переход – собирающий заряды.Iэ=IБ+Iк
К
UКБ
+
2. Инверсный активный режим.
Коллекторный переход – инжектирующий заряды.
Эмиттерный переход – собирающий заряды.
Iк=IБ+ Iэ
3. Режим отсечки (оба перехода закрыты).
4. Режим насыщения : эмиттер и коллектор находятся под прямым напряжением. Оба перехода прямо смещены.
Обобщенная картина распределений неосновных зарядов в базе:
4.2 Зонные диаграммы биполярного транзистора.
1. равновесный режим
активный нормальный.
Транзистор – транзит зарядов из эмиттера в коллектор через базу.
3. активный инверсный.
4. режим отсечки.
5. режим насыщения.
4.3 Токи в транзисторе. Коэффициент передачи тока эмиттера. Коэффициент инжекции. Коэффициент переноса.
Структура токов в активном нормальном режиме
IЭ –ток эмиттера (полный).
IPЭ – дырочный ток.
Inэ – электронный ток.
Iэ=Iрэ+Inэ (4.1)
Коэффициент инжекции
(4.2)
для симметричного перехода γ=0,5
.
В транзисторе p-n-p типа полезная составляющая – дырочная, а в транзисторе n-p-n типа полезная составляющая электронная.
Кроме потери электронной составляющей InЭ, за счёт рекомбинации дырок в n – базе возникает потеря на рекомбинацию.
IБ рек – рекомбинационная составляющая дырочного тока эмиттера.
IРК – транзитная составляющая тока эмиттера.
(4.3)
Коэффициент переноса показывает, какая часть дырочного тока доходит до коллектора.
(4.4)
При LРБ=7w, по формуле (4.4) =0,99.
Пренебрегаем собственным обратным током коллекторного перехода Iкo.
Коэффициент передачи тока эмиттера.
(4.5)
==0,990,99=0,98, или = Iк/Iэ=980/1000=0,98.
Вобщем случаеIэ=Iрэ+Inэ,
Iк =Iрк+Iко, (4.6)
IБ = Inэ+IБрекIко.
Iк =Iэ+Iко,
IБ = (1)Iэ Iко (4.7)
Iэ= IБ+Iк.
Коэффициент α – важнейший физический параметр биполярных транзисторов, определяется комплексом технологических параметров ( материал, концентрации примесей, площади переходов, диффузионная длина электронов и дырок и т.д.). Коэффициент α характеризует усилительные свойства транзисторов и его значения для современных транзисторов находятся в диапазоне 0,95 α<1.
Для увеличения α необходимо увеличивать коэффициент инжекции , т.е. выполнять условие - концентрация примеси в эмиттере на несколько порядков больше, чем в базе ( база более высокоомная, чем эмиттер).
;1, при ,
Кроме того, диффузионная длина инжектированных зарядов в базе должна быть больше, чем толщина базы w. В базе на границе с эмиттерным переходом неравновесная концентрация неосновных зарядов за счет инжекции больше равновесной: pnБ(0)>> pnБO. На границе с коллекторным переходом неравновесная концентрация неосновных зарядов за счет экстракции близка к нулю: больше равновесной: pnБ(w)0. При Lp<w инжектированные из эмиттера заряды рекомбинируют в базе и транзитный ток отсутствует. Ток коллектора равен обратному: Iк=Iко.
При условии Lp>w наоборот, основная часть инжектированных зарядов проходит базу и захватывается полем коллекторного перехода – образует транзитный ток. Зависимость тока обратносмещенного коллекторного перехода от тока прямосмещенного эмиттерного перехода и есть суть биполярного транзистора.
Увеличение коэффициента переноса за счет условие Lp>w обеспечивается, во-первых, уменьшением w, во- вторых, увеличением Lp, т.е. увеличением времени жизни инжектированных зарядов. Последнее требует уменьшения концентрации основных зарядов (примеси) в базе. Следовательно, высокое удельное сопротивление базы необходимо для увеличения обоих коэффициентов и .
Принцип действия биполярного транзистора кратко можно сформулировать как взаимодействие прямосмещенного эмиттерного p-n перехода и обратносмещенного коллекторного p-n перехода через слаболегированную тонкую базу, причем это взаимодействие проявляется в виде транзитного тока.