Контрольные вопросы

1. Какую область полупроводникового диода называют базой?

2. Как и по каким причинам изменяется прямая ветвь ВАХ диода с увели­чением его температуры?

3. Как влияют процессы генерации и рекомбинации носителей заряда на ВАХ диода?

4. Что такое p-i-n-диод?

5. Как зависит пробивное напряжение диодов при лавинном пробое от концентрации примесей в базе и от её удельного сопротивления?

6. Объяснить различия в ВАХ германиевых и кремниевых диодов.

7. В чём проявляется инерционность процесса переключения в диодах и как она уменьшается в импульсных диодах?

8. Назвать основные параметры стабилитрона.

9. Как зависит напряжения пробоя от температуры?

10. Изобразить схему параметрического стабилизатора напряжения и объяснить его работу.

4. Биполярные транзисторы

4.1. Физические процессы и токи в транзисторе

Биполярный транзистор – это прибор с двумя р-n-переходами и тремя выводами (рис. 4.1). Возможны две структуры транзистора: р–n–p и n–p–n.

Транзистор, выполненный по структуре p-n-p, называют транзисто­ром прямой проводимости, а со структурой n-p-n-обратной.

Средняя область и вывод от нее называются базой. Один из крайних выводов и соответствующая область называется эмиттером, а другая – коллектором. Если оба перехода симметричны, то коллектор и эмиттер можно поменять местами. Но, как правило, конструкция транзистора не­симметрична, и инверсное включение дает худшие характеристики. Кол­лектор имеет обычно большую площадь, чем эмиттер (рис. 4.2). На рис. 4.3 приведено обозначение на схемах транзисторов р-n-p и n-p-n.

Рис. 4.2 Рис. 4.3

Процессы в транзисторах p-n-p и n-p-n аналогичны. Поэтому рассмотрим только один. Возможны четыре режима работы транзистора

1. Активный режим: эмиттерный переход открыт, коллекторный – за­крыт.

2. Режим насыщения: оба перехода открыты.

3. Режим отсечки: оба перехода закрыты.

4. Инверсный активный режим: коллекторный переход открыт, эмит­терный закрыт.

Во всех аналоговых устройствах транзистор используется в активном режиме. Другие режимы транзистора характерны для импульсных устройств.

Рассмотрим токи через транзистор со структурой p-n-p в активном режиме. Для транзистора структуры n-p-n полярность напряжений на электродах должна быть противоположной. Ток через открытый эмиттер­ный переход равен сумме электронного и дырочного

(4.1)

где и – компоненты обратного тока; – напряжение на эмиттере относительно базы; – температурный потенциал.

Реальные транзисторы выполняются так, что концентрация основных носителей р-областей существенно выше, чем в n-области, т. е. p_p >> n_n , p_n >> n_p ( переходы несимметричны). Тогда

. (4.2)

Итак, из эмиттера в базу инжектируются дырки, а из базы в эмиттер – электроны. Для поддержания постоянства концентрации электронов в базе они должны поступать в нее через вывод базы от источника . Сле­довательно, электронная компонента эмиттерного тока протекает через вывод базы. Чтобы она была возможно меньшей, эмиттерный переход вы­полняют несимметричным: степень легирования примесями базы значи­тельно ниже, чем эмиттера. Следует иметь в виду, что направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных носите­лей (дырок) и противоположно направлению движения отрицательно за­ряженных носителей (электронов).

Для оценки соотношения электронного и дырочного токов вводится ко­эффициент инжекции , который характеризует эффективность эмиттера

. (4.3)

Так как I_n << I_p, то близко к 1. На рис. 4.4 показана инжекционная компо­нента базового тока.

Рис. 4.4

При ширине базы w, меньшей чем диффузионная длина, часть нерав­новесных носителей, образующих ток левого перехода, достигнет правого перехода и будет подхвачена полем. Приw «практически все неравновесные носители перейдут в правую область. Только малая часть носителей успеет рекомбинировать на расстоянииw. За счёт реком­бинации дырок, инжектированных из эмиттера, с электронами – основ­ными носителями в базе – происходит уменьшение концентрации электро­нов в базе они поступают в неё от источника , образуя рекомбинацион­ную компоненту базового тока(рис. 4.4).

Коэффициент переноса показывает, какая часть инжектированных ле­вым переходом неравновесных носителей достигнет правойP-об­ласти. Теория даёт следующее выражение для

. (4.4)

Итак, ток правого перехода может управляться током левого перехода. Как коэффициент инжекции, так и коэффициент переноса являются внут­ренними параметрами транзистора. Гораздо удобнее пользоваться коэф­фициентом передачи по току, который можно определить по значе­ниям токов через выводы транзисторов. Таким образом, ток коллектора является частью тока эмиттера и в широких пределах не зависит от.

Через коллекторный переход протекает, кроме того, ток закрытого кол­лекторного перехода . Так какp_n >> n_p, то обратный ток через коллектор­ный переход имеет преимущественно дырочный характер. Величина его определяется свойствами материала, температурой и геометрией р-n-перехода. Для данного полупроводника и фиксированной температуры при пробоя значение обратного тока мало зависит от напряжения, при­ложенного к переходу. Таким образом, для активного режима транзи­стора справедливы следующие соотношения для токов:

, (4.5)

. (4.6)

Ток базы состоит из трёх составляющих:

• инжекционная ;

• рекомбинационная;

• обратный ток коллекторного перехода .

Он может иметь положительное или отрицательное значение в зави­симости от соотношения между и другими составляющими.

Так как площади переходов не одинаковы (для увеличения коэффици­ента переноса площади эмиттерного перехода), то коэффициенты,,изменяются при перемене местами коллектора и эмиттера.

Полупроводниковый материал базовой области (наиболее высокоом­ный) имеет некоторое омическое сопротивление. Поэтому действительные напряжения, приложенные к эмиттерному и коллекторному переходам, от­личаются от напряжений ина величинуI_бr_б.