Распределение концентрации носителей заряда в структуре транзистора

В общем случае распределение концентрации носителей заряда в структуре транзистора находится из уравнения непрерывности, как это было показано ранее для отдельного p-n перехода с ограниченной базой. В отличие от отдельного p-n перехода транзистор представляет собой два связанных по току p-n перехода с ограниченной базой, один из которых смещён в прямом направлении, а второй – в обратном, но результирующее распределение концентрации носителей в базе и токов электронов и дырок может быть представлено суперпозицией двух режимов.

На рисунке 7.5 приведено распределение логарифма концентрации основных и неосновных носителей заряда в нейтральном состоянии (без смещения). На рисунке 7.6 представлено распределение неосновных носителей заряда в линейном масштабе в усилительном режиме. Распределение основных носителей заряда не изменяется, так как мы рассматриваем случай малых уровней инжекции.

Коллекторный переход для прямосмещённого эмиттера служит контактом со скоростью рекомбинации, близкой к бесконечности, аналогично идеальному омическому контакту, так как поле обратносмещенного коллектора экстрагирует неосновные носители заряда. Инерционность экстракции определяется временем дрейфа носителей через толщину ОПЗ коллекторного p-n перехода (d_с), порядка 10^–11с. С другой стороны, эмиттерный переход является контактом со скоростью генерации, близкой к бесконечности, для обратносмещённого коллекторного p-n перехода. Нарушение нейтральности базы за счёт экстракции дырок на границе ОПЗ коллектора нейтрализуется инжекцией из сильнолегированного эмиттера (генерация на контакте).

В соответствии с граничными условиями малых уровней инжекции (условие Шокли):

; ;

(7.6)

; .

Распределение неравновесных дырок в базе определяется суперпозицией инжекции из эмиттера и тепловой генерации и экстракции обратносмещенным коллектором

(7.7)

Инжекция из эмиттера создаёт избыточную концентрацию D Р_В1 и полезный ток коллектора. Экстракция генерированных теплом дырок в базе D Р_В2 создаёт компоненту неуправляемого обратного тока коллектора.

Энергетические диаграммы транзистора p-n-p типа для равновесных условий и режима усиления приведены на рисунке 7.7.

Прямое смещение эмиттера снижает барьер эмиттера (Ф _{0 Е} – qU_E). Величина смещения эмиттера соответствует разности квазиуровней Ферми в эмиттерном переходе: . Величина коллекторного барьера увеличилась на значение приложенного обратного смещения: Ф _{0 С}+ qU_С. Разница между квазиуровнями в коллекторном переходе соответствует коллекторному смещению . Неравновесная концентрация дырок в базе отражается более близком к E_V расположением квазиуровня дырок F_pB. Аналогично избыточная концентрация электронов в р- эмиттере отражена квазиуровнем F_nE. Экстракция электронов из коллектора отражена удалением F_n от зоны проводимости Е_С коллектора, а экстракция дырок из базы соответственно удалением квазиуровня F_p от E_V базы. Знак минус для j_nE и j_nC отражает противоположное направление тока потоку электронов.