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

2. 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 L_РБ=7w, по формуле (4.4) =0,99.

Пренебрегаем собственным обратным током коллекторного перехода Iкo.

Коэффициент передачи тока эмиттера.

(4.5)

==0,990,99=0,98, или = Iк/Iэ=980/1000=0,98.

Вобщем случаеIэ=Iрэ+Inэ,

Iк =Iрк+Iко, (4.6)

IБ = Inэ+IБрекIко.

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.