Принцип действия биполярного транзистора

Основные свойства транзистора 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 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 можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 5.3, а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 5.3, б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 5.3, в). В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает электрод, общий для обоих источников питания.

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

а)
б)	в)
Рис. 5.3. Схемы включения БТ: а) с ОБ; б) с ОЭ; в) с ОК.

 

В активном режиме к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение (напряжение эмиттер – база U_ЭБ), а к коллекторному переходу - обратное (напряжение коллектор – база U_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания и направления токов для p-n-p -транзистора, представленные на рисунке 5.4. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Эмиттерный переход осуществляет инжекцию дырок в тонкую 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,

Рис. 5.4. Физические процессы в БТ

 

ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. «Собирательная» способность этого перехода и обусловила название «коллектор».

Если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный - обратное U_ЭБ, то такой режим работы называется инверсным режимом. 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, т.к. концентрация примесей в коллекторе значительно меньше, чем в эмиттере и площади переходов различны.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции или режимом насыщения. 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, так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений на переходах. 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 определяется по общему правилу определения разности потенциалов U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ. Т.к. U_ЭБ = -U_БЭ, тo U_КБ = U_КЭ - U_БЭ; при этом напряжения источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным - в противном 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.

Токи в транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы включения с общей базой (рисунок 2.33), 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 активном режиме на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_ЭБ. Прямой ток перехода при этом равен:

, (5.1)

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 тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие I_{Э р} и I_{Э n}, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n- перехода. Если вклад I_{Э РЕК} незначителен, то вместо (5.1) можно записать:

. (5.2)

В сумме токов выражения (5.2) полезной является только дырочная составляющая I_Эр, так как она 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:

, (5.3)

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

. (5.4)

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, как правило, выполняется в транзисторах.

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 обуславливает 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 будет равен:

. (5.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:

. (5.6)

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_ДБ. 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_pБ. Доказано, что имеется приближенное соотношение:

. (5.7)

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 (5.6):

(5.8)

С учетом (5.4) и (5.6) получим

, (5.9)

где

. (5.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называют 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 (5.9):

. (5.11)

Из (5.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:

, (5.12)

числитель которого (I_К – I_КБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, I_{К р}. Обычно рабочие токи коллектора I_К значительно больше I_КБ0, поэтому

. (5.13)

С помощью рис. 5.4 можно представить ток базы в виде:

. (5.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки:

. (5.15)

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

. (5.16)

Используя (5.11) и (5.16), получаем связь тока базы с током эмиттера:

. (5.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (I_Э = 0, холостой ход), то I_Б = - I_КБ0, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I^*_Э = I_КБ0 /(1-a) ток I_Б = 0, а при дальнейшем увеличении тока эмиттера I_Э (I_Э>I^*_Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (5.11) можно установить связь I_К с I_Б. Используя (5.11) и (5.17), получаем:

, (5.18)

где

; (5.19)

- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть значительно больше единицы (b >>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (5.19) можно получить соотношение:

. (5.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (I_К - I_КБ0) к управляемой части базового тока

(I_Б + I_КБ0).

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

, (5.21)

можно вместо (5.19) записать:

. (5.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения I_КЭ0: 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_КЭ0 проходит через все области транзистора и является «сквозным» током, что и отражается индексами «К» и «Э» (индекс «0» указывает на условие I_Б = 0).