Биполярный транзистор является активным прибором полупроводниковой электроники, так как он позволяет осуществлять усиление мощности входного сигнала.
Усилительный режим работы транзистора соответствует прямому смещению эмиттерного p-n перехода и обратному смещению коллекторного p-n перехода.
Принцип действия БТ основан на инжекции неосновных носителей заряда базы из эмиттера в базу, пролёте этих носителей посредством диффузии и дрейфа через базу, экстракции (коллектировании) дошедших до коллекторного перехода неосновных носителей, инжектированных эмиттером, перенос полем обратносмещённого коллектора этих носителей в квазинейтральную область коллектора, где они становятся основными и замыкают цепь внешнего тока коллекторного источника питания.
Проанализируем более подробно физические процессы, протекающие в транзисторе в усилительном режиме. Для определённости в этом разделе будем рассматривать p-n-p транзистор.
- При подаче прямого смещения на эмиттерный переход потенциальный барьер понижается, и происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Одновременно происходит обратная инжекция электронов из базы в эмиттер. Для обеспечения высокой эффективности (коэффициента инжекции) необходимо подавить ток обратной инжекции. Это достигается с помощью различного легирования эмиттера и базы в гомогенных транзисторах, а именно: эмиттер легируют значительно больше, чем базу. В этом случае NE >> NB, и эмиттерный переход представляет собой несимметричный резкий (или сверхрезкий) p+-n переход. Эффективность такого p-n перехода близка к единице.
Ток обратной инжекции определяется процессом рекомбинации электронов в p + - эмиттере и является компонентом электронного тока базы
.
n Ine p n В гетеротранзисторе n-p-n типа
использование в качестве эмит-
Фon тера широкозонного полупро-
водника позволяет получить вы-
EC EC сокий коэффициент инжекции
даже в случае NE ≤ NB из-за
F большей величины барьера для
обратной инжекции из базы по
EV сравнению с барьером для пря-
Фop мой инжекции из эмиттера в
EV базу (рисунок 7.2).
Ipe Рисунок 7.2 - Энергетическая диаграмма гетеротранзистора
В этом случае
,
где .
При разнице в ширинах зон порядка 0,4эВ (переход Si-Ge) отношение при комнатной температуре. Следовательно эффективность эмиттера будет близка к единице даже в случае, если NE ≤ NB. Таким образом, гетеропереход позволяет осуществлять практически одностороннюю инжекцию носителей заряда.
- За время релаксации , т.е. практически мгновенно, инжектированные в базу неосновные носители заряда (дырки) нейтрализуются основными носителями (электроны), поступающими из источника питания эмиттер-база.
- Возникает градиент концентрации неравновесных электронно-дырочных пар, под действием которого происходит диффузия (дрейф при наличии поля) дырок от эмиттера к коллекторному переходу, где концентрация дырок близка к нулю вследствие экстракции неосновных носителей полем обратно смещённого коллектора.
- По мере пролёта базы происходит рекомбинация наиболее медленных дырок с электронами, которая создаёт вторую компоненту базового электронного тока. Поскольку толщина базы WB значительно меньше диффузионной длины дырок LB, то практически все дырки достигают коллектора. Таким образом, величина дырочного тока в коллекторе Ipc приблизительно равна дырочному току эмиттера Ipe. эффективность прохождения дырок через базу характеризуется коэффициентом переноса
.
Величина тока базы IB2 определяется разностью (Ipe – Ipc),
.
- Дошедшие до коллекторного перехода дырки затягиваются полем обратно смещённого коллектора и создают полезный дырочный ток Ipc.
,
где – коэффициент передачи тока эмиттера. Значение α лежит в диапа- зоне (0,95-0,999).
- К коллекторному переходу приложено обратное смещение, поэтому через него протекает также небольшой неуправляемый генерационный ток ICBO – обратный ток коллекторного p-n перехода, который замыкается через цепь базы. Так как генерационный ток направлен встречно рекомбинационному току базы, то результирующее значение (рисунок 7.1) тока базы
.
Ток коллектора
.
Нетрудно заметить, что для транзистора в усилительном режиме выполняется закон Кирхгофа
IE = IB + IC.
Проведенный анализ устанавливает основные требования к структуре биполярного транзистора
1. NE >> NB; D EgE > D EgB – для обеспечения эффективности эмиттера, близкой к единице .
2. WB << LB – для уменьшения потерь в базе и обеспечения коэффициента переноса β ≤ 1.
3. Уровень легирования коллектора NC и его толщина WC должны обеспечить требуемое рабочее напряжение, которое ограничивается лавинным пробоем коллекторного p-n перехода.