3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.

 

3.1.1 Общие сведения

 

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими   p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колеба­ний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко - на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка че­редования различают БТ типа

n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых по­казаны на рисунке  3.1.

а)	б)
Рисунок  3.1 Структуры БТ.

 

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n₁⁺-p меньше, чем у перехода n₂-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n₁ с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n₂).

 

                          Рисунок 3.2 Структура реального БТ типа n-p-n.

 

Сильнолегированная  об­ласть обозначена верхним индексом “+” (n⁺). Поэтому БТ является асимметрич­ным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних об­ластей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n₁⁺) называется эмиттером, а область n₂ - коллектором. Соответст­венно область (p) называется базовой (или базой). Правая область n⁺ служит для переход n₁⁺-р называют эмиттерным, а n₂-p коллектор­ным. Средняя  снижения сопротивления коллектора. Конта­кты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э - эмиттер; Б - база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой об­ласти, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллек­торного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсут­ствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузи­ей, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовы­ми, а с неоднородной базой - дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на ус­ловных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источни­ков питания.

 В общем случае возможно четыре варианта полярностей напря­жения переходов, определяющих четыре режима работы транзисто­ра. Они получили названия: нормальный активный режим, инверс­ный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

 

а)	б)	в)
Рисунок   3.3 Схемы включения БТ.

 

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер - база U_ЭБ), а на коллекторном переходе - обратное (напряжение коллектор - ба­за U_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников пита­ния на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов из­меняются на противоположные.

Рисунок 3.4 Физические процессы в БТ.

 

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет на­значение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, кото­рая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектиро­ванных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный пере­ход не создает потенциального барьера для подошедших носите­лей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собира­тельная” способность этого перехода и обусловила название “кол­лектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный -обратное U_ЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, кото­рые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллектор­ном переходах являются прямыми одновременно, называют режи­мом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмит­тер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют ре­жимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают ма­лые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источни­ков питания U_ЭБ и U_КБ.  В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напря­жением первого источника (U_ЭБ = -U_БЭ), а напряжение коллектор­ного перехода зависит от напряжений обоих источников и по обще­му правилу определения разности потенциалов U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ. Так как U_ЭБ = -U_БЭ, тo U_КБ = U_КЭ - U_БЭ; при этом напряжение источ­ников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и от­рицательным - в другом случае. В схеме включения с общим кол­лектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определя­ется одним источником: U_КБ = -U_БК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: U_ЭБ = U_ЭК + U_КБ = U_ЭК - U_БК, при этом правило знаков прежнее.

 

3.1.2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном

транзисторе при работе в активном режиме.

 

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_ЭБ. Поэтому прямой ток перехода

 ,       (3.1)

где I_{э р}, I_{э n} - инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а I_{э рек} - составляющая тока, вы­званная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода I_э в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие I_эр и I_эn, определяющие прямой ток в случае идеа­лизированного р-n перехода. Если вклад I_{э рек} незначителен, то вместо (3.1) можно записать

.                (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток I_{э р}, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера I_{э n} и I_{э рек} протекают через вывод базы и являются составляющими тока ба­зы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты I_{э n}, I_{э рек} долж­ны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается ко­эффициентом инжекции эмиттера

,        (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составля­ет полезный компонент. В случае пренебрежения током I_{э рек}

.         (3.4)

Коэффициент инжекции g_Э "тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение I_{э n}/ I_{э р}. Величина I_{э n}/ I_{э р} << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора N_АЭ на несколь­ко порядков выше концентрации доноров N_ДБ в базе (N_АЭ >> N_ДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток I_Эр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентра­ции дырок - неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться ре­комбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок I_{Б рек}, так что ток подхо­дящих к коллекторному переходу дырок

.                   (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэф­фициентом переноса:

.     (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, ин­жектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному пере­ходу. Значение c_Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжек­тированных дырок рекомбинирует с электронами - основными носи­телями базовой области. Ток I_{Б рек} одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покры­вается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней це­пи, то ток I_{Б рек} следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей I_{Э n}.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить c_Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации до­норов N_{д Б}. Это совпадает с требованием N_АЭ/N_ДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы W_Б и диф­фузионной длины дырок в базовой области L_{p Б}. Доказано, что име­ется приближенное соотношение

.                (3.7)

Например, при W_Б/L_{p Б} = 0,1 c_Б = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет ла­винного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

                  (3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

,         (3.9)

где

                 .                              (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к пол­ному току эмиттера называет статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую I_КБО, которая протекает в цепи коллектор - база при I_Э = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехо­да, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллек­тора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

.             (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для стати­ческого коэффициента передачи тока:

,              (3.12)

числитель которого (I_К - I_КБО) представляет собой управляемую (за­висимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, I_Кр. Обычно ра­бочие токи коллектора I_К значительно больше I_КБО, поэтому

.                        (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

.         (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

.             (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, I_К и I_Б принципиально меньше тока I_Э; при этом наименьшим является ток базы

.             (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмитте­ра

.         (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (I_Э = 0, холостой ход), то    I_Б = -I_КБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллектор­ного перехода. При значении I^*_Э = I_КБО /(1-a) ток I_Б = 0, а при дальней­шем увеличении I_Э (I_Э>I^*_Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь I_К с I_Б. Используя (3.11) и (3.15), получаем

,         (3.18)

где

        (3.19)

- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b>>1). Например, при a = 0,99  b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

.                  (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изме­няемой) части коллекторного тока (I_К - I_КБО) к управляемой части ба­зового тока (I_Б + I_КБО).

Все составляющие последнего выражения зависят от I_Э и обраща­ются в нуль при I_Э = 0. Введя обозначение

,            (3.21)

можно вместо (3.18) записать

.                     (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения I_КЭО: это зна­чение тока коллектора при нулевом токе базы (I_Б = 0) или при “обры­ве” базы. При I_Б = 0  

I_К = I_Э, поэтому ток I_КЭО проходит через все обла­сти транзистора и является “сквозным” током, что и отражается ин­дексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие I_Б = 0).