Биполярного транзистора

Рассмотрим p-n-p транзистор, для простоты бездрейфовый. Чтобы получить усилительный (активный) режим работы, на эмиттерный переход следует подать прямое смещение (U_ЭБ>0), а на коллекторный переход обратное (U_КБ<0). Эмиттерный переход будет работать в режиме инжекции, а коллекторный - в режиме экстракции (рис.3^А).

Рассмотрим токи, текущие через p-n переходы и внешние выводы транзистора, включенного по схеме ОБ. Для простоты будем полагать, что протяжённости эмиттерной и коллекторной р - областей значительно превосходят диффузионную длину неосновных носителей (электронов). Толщина же базовой n-области должна быть значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе (дырок). Только при такой толщине базы будет наблюдаться транзисторный эффект.

Вблизи невыпрямляющего эмиттерного контакта весь эмиттерный ток переносится дырками, дрейфующими в слабом электрическом поле к эмиттерному p-n переходу (см. рис.3^Б).

Часть из них, преодолев потенциальный барьер q ( -U_ЭБ), инжектируется в базу, образуя дырочную составляющую тока эмиттерного перехода I_ЭР. Другая, значительно меньшая часть дырок, рекомбинирует по пути к p-n переходу с электронами, инжектированными из базы в эмиттер. Эту составляющую тока эмиттерного перехода обозначают через I_Эn. Небольшое количество электронов и дырок рекомбинируют в области объёмного заряда эмиттерного p-n перехода.

	а)

Рис. 4.1.3. Работа p-n-p транзистора в активном режиме при малом уровне инжекции:

а – зонная диаграмма бездрейфового p-n-p транзистора в активном режиме при малых токах; б – распределение концентраций неосновных носителей в стационарном активном режиме вдоль p-n-p транзистора; в – составляющие токов p-n-p транзистора в активном режиме

Эту рекомбинационную составляющую тока эмиттера обозначают I_ЭR ( на рис. 3^В она не показана). В режиме очень малых токов может стать заметным ток, обусловленный носителями, генерируемыми в области пространственного заряда. Эта составляющая в последующем обсуждении учитываться не будет. Т.о. ток через эмиттерный p-n переход, совпадающий с током в эмиттерной цепи, имеет три составляющие

I_Э = I_ЭР + I_Эn+ I_ЭR (1)

Коэффициентом инжекции γ или эффективностью эмиттера называют отношение тока носителей, инжектируемых из эмиттера в базу, к полному току эмиттера. Для p-n-p транзистора

γ = I_ЭР / I_Э (2)

Если ток эмиттера не очень мал и составляющей I_ЭR можно пренебречь, то

(3)

В этом случае

I_ЭР = γ I_Э ; I_Эn = (1-γ) I_Э (4)

Коэффициент инжекции показывает, какую долю полного тока эмиттера составляет полезный ток инжекции неосновных (для базы) носителей из эмиттера в базу, определяющий управляемую часть выходного тока в коллекторной цепи. Чем ближе коэффициент γ к единице, тем эффективнее инжекция. Легируя область эмиттера гораздо сильнее, чем базу ( ), удаётся получить .

В активной области эмиттерный переход работает в режиме инжекции, а коллекторный – в режиме экстракции. Поэтому распределение неосновных носителей в базе оказывается резко неоднородным (см. рис. 3^Б). Инжектированные в n-базу дырки перемещаются под действием их градиента к коллекторному переходу. Благодаря тому, что толщина базы значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей (W<<L_Р), лишь малая доля дырок рекомбинирует в базе, а основная их часть достигает обратно смещенного коллекторного перехода и втягивается его полем в коллектор, образуя ток (см. рис. 3^Б,3^Е). В этом состоит транзисторный эффект. Его можно наблюдать лишь при достаточно малом расстоянии между эмиттерным и коллекторным p-n переходами. Процесс рекомбинации дырок в базе характеризуют количественно коэффициентом переноса χ неосновных носителей через базу. Для p-n-p транзистора

(5)

Разность ( ) = I_R обусловлена рекомбинацией неосновных носителей в объёме базы (I_RV), на её внешней поверхности (I_RS) и рекомбинацией на невыпрямляющем контакте к базе (I_RC)

(6)

Чтобы ток эмиттера эффективно управлял током коллектора, следует принимать меры для уменьшения всех составляющих тока, не принимающих участия в таком управлении, и сокращать потери носителей заряда, инжектированных из эмиттера в базу. Уменьшая толщину базы, уменьшают потери на рекомбинацию в её объёме – снижают составляющую I_RV. Специальной технологической обработкой можно снизить концентрацию центров рекомбинации на границе SiO₂ / Si, т.е. на внешней поверхности базы, и тем самым значительно уменьшить составляющую I_RS.

Располагая вывод базы по возможности дальше от эмиттера, добиваются снижения I_RC. Наконец, площадь коллектора делают по возможности наибольшей, чтобы он перехватывал почти весь поток неосновных носителей, идущих от эмиттера. В результате удаётся получить χ ~ 0,95 ÷ 0,99. Из рисунка 1^Е ясно, что основная часть потока неосновных носителей от эмиттера к коллектору будет пересекать базу под «донной» частью эмиттера. Этот участок принято называть активной областью базы.

Произведение коэффициента инжекции γ на коэффициент переноса неосновных носителей через базу χ называют коэффициентом передачи тока эмиттера к коллектору и обозначают через α

(7)

Как видно из рисунка 3^В, для p-n-p транзистора управляемая часть коллекторного тока равна

(8)

Рекомбинационная составляющая тока инжектированных неосновных носителей

(9)

Если цепь эмиттера разомкнута и инжекция отсутствует (I_Э=0), то в цепи обратно включенного коллекторного перехода протекает обратный ток, обусловленный неосновными носителями, термически генерируемыми в базе, в коллекторе и в области пространственного заряда коллекторного перехода. Его обозначают через I_КБО и называют тепловым током коллектора. Индекс К указывает, что это собственный обратный ток коллекторного перехода. Индекс Б означает, что транзистор включен по схеме с общей базой. Индекс 0 (ноль) указывает, что ток измеряется при разомкнутой входной цепи эмиттера. На рисунке 3^В составляющая тока I_КБО, обусловленная термической генерацией в ОПЗ коллекторного перехода не отражена. Неуправляемая часть коллекторного тока, не связанная с экстракцией инжектированных из эмиттера неосновных носителей, может быть выражена как обычный ток p-n перехода

(10)

Знак (-) в (10) связан с выбором положительного направления коллекторного тока, показанного на рисунке 3^В стрелкой.

При наличии инжекции из эмиттера полный ток коллектора равен

(11)

В активном режиме транзистора U_КБ<0 и . Поэтому выражение для коллекторного тока может быть записано в виде

(12)

Если ток эмиттера не слишком мал, то

(13)

(14)

Последнее соотношение позволяет записать формулу для приближенной оценки коэффициента передачи тока эмиттера

(15)

В активном режиме p-n-p транзистора ток I_Э входит в транзистор, ток I_К выходит из него. За положительное направление тока в базовом выводе p-n-p транзистора обычно принимают направление выходящего тока (см рис 3^В). Тогда в соответствии с первым законом Кирхгофа и с учетом (12) имеем

(16)

(17)

Токи и , выходящие из транзистора, обусловлены потоками электронов, расходуемых на инжекцию из базы в эмиттер и на рекомбинацию с дырками в базе. Ток I_КБО входит в транзистор через базовый вывод, поэтому в формулах (16) и (17) он фигурирует со знаком минус. Из формулы (16) следует, что при токе эмиттера ток базы обращается в ноль. В соответствии с первым законом Кирхгофа ток коллектора при «оборванной базе» равен току эмиттера и обозначается через I_КЭО

(18)

Из-за малости тока I_КБО ток I_КЭО также весьма мал. Как и ток I_КБО, ток I_КЭО относится к числу важнейших статических параметров транзистора.

Проведённое рассмотрение составляющих токов в активном режиме показывает, что биполярный транзистор представляет собой управляемый прибор: его коллекторный ток зависит от тока эмиттера (ток в выходной цепи коллектора управляется током во входной цепи эмиттера). Изменение Iк при изменении Iэ происходит с очень малым запаздыванием, если база достаточно тонкая. Это позволяет использовать транзистор для усиления сигнала не только на низких, но и на высоких частотах. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, выделяемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке R_К, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера. Следовательно, в активном режиме биполярный транзистор может быть использован для усиления полезного сигнала по мощности.

Существующие в статическом режиме нелинейные взаимосвязи между токами и напряжениями на входе и выходе прибора удобно описывать семейством графиков, получивших название статических характеристик транзистора. Далее нам предстоит рассмотреть статические характеристики БТ в схемах с ОБ и ОЭ и обсудить физические процессы в транзисторной структуре, определяющие вид этих кривых. В последующем нам предстоит также обсудить зависимость важнейших статических параметров транзистора от его конструктивно-технологических особенностей и условий работы.