Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности. Схематически устройствотранзистора показано на рис.4.I.
Средняя область, представляющая собой полупроводник с электронной или дырочной электропроводностью, называется базой. К ней с двух сторон прилегают области с противоположной электропроводностью, образуя эмиттер иколлектор транзистора, и, соответственно, два электронно-дырочных перехода - эмиттерный и коллекторный. В зависимости от чередования электропроводности областей эмиттера, базы и коллектора могут быть получены транзисторы p-n-p и n-p-n типов. На рис.4.2 показа-
но их условное графическое обозначение.
Каждый из p-n переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима его работы:
I) Режим отсечки - эмиттерный и коллекторный электронно-дырочные переходы находятся под обратным напряжением (закрыты), через транзистор идет небольшой ток.
2) Режим насыщения - оба электронно-дырочных перехода находятся под прямым напряжением (открыты), через транзистор может протекать большой ток.
3) Активный режим - эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт.
В режиме отсечки и насыщения управление коллекторным током транзистора практически отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно.
Принцип действия транзистора основан на использовании инжекции носителей из эмиттера в базу, переносе инжектированных носителей через базовую область, собирании носителей коллектором и управлении собираемой компонентой тока путем изменения тока инжекции.
В активном режиме на эмиттерный переход для обеспечения инжекции носителей подается прямое напряжение. На коллекторный переход подается обратное напряжение. Это обычное включение транзистора. Если эмиттер и коллектор поменять местами, т.е. коллектор считать эмиттером, а эмиттер - коллекторам, то такое включение называют инверсным.
В зависимости от механизма переноса инжектированных носителей через базовую область транзисторы подразделяются на два типа: бездрейфовые и дрейфовые. В бездрейфовых транзисторах перенос носителей через базу имеет преимущественно диффузионный характер. Во всех трех областях такого транзистора распределение примесей равномерное и электрическое поле в базе отсутствует (рис.4.3).
В дрейфовых транзисторах в базовой области примеси распределены неравномерно: их концентрация велика у эмиттера (около ) и уменьшается в направлении к коллектору (до
) (рис.4.4). Благодаря этому в базе возникает электрическое поле, которое является ускоряющим для инжектированных носителей. Поэтому движение их от эмиттера к коллектору будет происходить как вследствие дрейфа, так и вследствие диффузии.
Рассмотрим более подробно процессы, протекающие в бездрейфовом биполярном транзисторе в активном режиме на примере структуры типа p-n-p.
Пусть к электродам транзистора, модель которого показана на рис.4.5, подключены питающие напряжения ,
. При этом эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном направлении. Соответственно высота потенциального барьера перехода эмиттер-база падает, а коллектор-база
возрастает (рис.4.3,в).
Уменьшение высоты потенциального барьера эмиттерного перехода (практически на величину ) вызывает инжекцию носителей заряда через этот переход: дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер (рис. 4.5).
Уход дырок из эмиттера в базу обусловливает приток новых зарядов от источника
и в цепи эмиттера возникает составляющая тока
(рис.4.5). Исчезновение дырок в эмиттеpe вследствие их объемной рекомбинации с электронами, вошедшими из базы, приводит к появлению дополнительного притока зарядов от источника
, и возникает вторая составляющая тока эмиттера
(рис.4.5). Полный ток эмиттера
будет равен сумме этих токов:
При этом, если составляющая тока в дальнейшем будет существенно влиять на ток коллектора
, то вторая составляющая тока эмиттера
протекает в цепи эмиттер-база и непосредственного влияния на ток коллектора не оказывает.
Отношение тока дырок за эмиттерным переходом к общему, току эмиттера называют эффективностью эмиттера (или коэффициентом инжекции)
, т.е.
(4.1)
Эффективность эмиттера показывает, какую часть от полного тока эмиттера составляет ток дырок, инжектируемых в базу транзистора. На основании выражения (4.1) можно записать, что . Разностный ток
называют еще инжекционной составляющей базового тока
, поскольку, как уже говорилось, она протекает в цепи эмиттер-база.
За счет инжекции дырок из эмиттера в базовой области возникает градиент концентрации дырок, вследствие чего они будут двигаться в сторону коллекторного перехода. Однако не все носители заряда достигнут коллекторного перехода. Часть из них исчезает за счет рекомбинации в объеме базы, на поверхности и на выводе базы (рис.4.5). В результата ток дырок у коллекторного перехода оказывается меньше тока дырок у эмиттерного перехода:
(4.2)
где - коэффициент переноса, учитывающий потерю дырок на рекомбинацию. Величина
. Очевидно, что
будет тем меньше, чем больше толщина базы
. С учетом выражений (4.1) и (4.2) можно записать, что
. Разностный ток
, обусловленный рекомбинацией дырок с электронами в области базы, протекает в цепи эмиттер-база. Этот ток образует вторую, рекомбинационную составляющую тока базы.
Итак .
Дырки, достигшие коллекторного перехода, втягиваются полем этого перехода, которое является для них ускоряющим, и перебрасываются в коллектор. В цепи коллектора возникает собираемая компонента тока
(4.3)
Величина собираемой компоненты тока коллектора, как видно из (4.3), может изменяться путем изменения тока эмиттера. Поэтому ток эмиттера можно назвать управляющим, а ток коллектора, т.е. - управляемым. Коэффициент пропорциональности между этими токами обозначают через
и называют коэффициентом передачи тока эмиттера. Таким образом,
(4.4)
Для более эффективного управления током коллектора, величину стремятся сделать как можно ближе к единице. С этой целью приближают к единице и
и
. Физически это означает уменьшение всех составляющих тока эмиттера, не принимающих участия в управлении током коллектора. Для этого, во-первых, вводят значительно большее количество примесей в эмиттер, чем в базу. Обычно соотношение концентраций составляет
(рис.4.3,б). В этом случае инжекция будет носить практически односторонний характер и
, что и дает
. Во-вторых, толщину базы транзистора
делает много меньше диффузионной длины дырок
, и потери дырок на рекомбинацию в области базы становятся незначительными. Коэффициент переноса
приближается к единице. Дополнительно
увеличивается за счет большей площади
- коллекторного перехода (рис.4.1). Обычно
, где
- площадь эмиттерного перехода. При выполнении перечисленных условий величина
практически составляет
.
К отбираемой компоненте тока коллектора добавляется ток
- обратный ток электронно-дырочного перехода коллектор-база, представляющий собой неуправляемую компоненту тока коллектора. Таким образом,
(4.5)
Заметим, что ток протекает в цепи база-коллектор и поэтому является третьей составляющей базового тока, имеющей техническое направление, противоположное первым двум, т.е.
и
, Следовательно, можно записать базовый ток в виде суммы трех составляющих:
. (4.6)
Очевидно, что для транзистора выполняется первый закон Кирхгофа:
.. (4.7)