3.2. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой

З онная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора n-p-n - типа, включенного по схеме с ОБ в активном режиме, представлена на рис.9. Источник питания U_э включен, <−> к эмиттеру, <+> к земле; при этом в эмиттерном переходе возникает дополнительное электрическое поле E_э^*, которое частично компенсирует поле E_э. Кроме того, энергия электронов в области эмиттера возрастает, уровень Ферми поднимается, потенциальный барьер уменьшается Ψ_э=q(_э0−U_э), толщина перехода уменьшается и эмиттерный переход открывается. Прямосмещенный эмиттерный переход открыт для основных носителей – электронов эмиттера n - типа и закрыт для неосновных − дырок. Происходит инжекция электронов в базу р - типа, где они являются неосновными носителями. В базе электроны диффундируют к коллектору и частично рекомбинируют с дырками. Дырки в базе являются основными носителями, и их существенно (на один или несколько порядков) больше, чем инжектированных электронов.

Источник питания U_к подключен <+> к коллектору, <−> к земле; при этом в коллекторном переходе возникает дополнительное электрическое поле E_к^*, которое складывается с полем E_к. Кроме того, энергия электронов в области коллектора уменьшается, уровень Ферми опускается, потенциальный барьер увеличивается ψ_к=q(_к0+U_к), толщина перехода увеличивается и коллекторный переход закрывается. Обратносмещенный коллекторный переход закрыт для основных носителей (дырок в базе р - типа) и открыт для неосновных носителей – электронов. Электроны, прошедшие через базу, попадают в коллекторном переходе в ускоряющее электрическое поле и инжектируются в коллектор n - типа, где они являются основными носителями. В коллекторной области возникает избыточный заряд, который через короткое время Максвелловской релаксации τ_М=εε₀ρ, где ρ – удельное сопротивление коллектора, рассасывается путем ухода электронов во внешнюю цепь.

3.3. Распределение носителей в базе транзистора в активном режиме

Распределение носителей в базе транзистора в активном режиме приведено на рис.10. Если толщина базы l_б больше средней длины диффузии электронов в базе L_n, то это транзистор с “толстой” базой (рис.10,а). Электроны n_p(0) из эмиттера через прямосмещенный эмиттерный переход попадают в базу. В базе электроны рекомбинируют с дырками и их концентрация уменьшается по закону n_p(x)=n_p(0)exp(–x/L_n). На расстоянии, большем L_n от эмиттерного перехода, концентрация электронов становится равновесной n_p и не изменяется. На расстоянии L_n от коллекторного перехода электроны за время жизни могут продиффундировать до коллекторного перехода и экстрагироваться ускоряющим электрическим полем коллекторного перехода. В этой области их концентрация изменяется от n_p до нуля по закону n_p(x)=n_p(0)[1–exp–(l_б–x)/L_n]. Таким образом, в транзисторе с “толстой” базой электроны, инжектированные из эмиттера, не достигают коллекторного перехода, а полностью рекомбинируют в базе, коллекторный ток не зависит от эмиттерного и транзистор эквивалентен двум встречновключенным диодам.

Если уменьшать толщину базы транзистора, сдвигая металлургические границы эмиттерного и коллекторного переходов, то при l_б < L_n, (обычно l_б ≈ 0.2 L_n) получится транзистор с тонкой базой (рис.10,б). Распределение концентрации электронов в тонкой базе происходит в результате сопряжения двух экспонент. Такое распределение в первом приближении описывается прямой линией. С учетом небольшой рекомбинации электронов в базе эта линия немного прогибается, как показано пунктирной линией на рис.10,б. В этом случае большая часть электронов, эмитированных из эмиттера, достигает коллектора, поэтому, изменяя ток эмиттера, можно управлять током коллектора.