Биполярный транзистор

Процессы в биполярном транзисторе

Общие сведения. Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей - основные и неосновные, поэтому его называют биполярным. Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей - основные и неосновные, поэтому его называют биполярным. Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости:, базы и коллектора. Переход, который образуется на границе эмиттер-база, называется эмиттерным, а на границе база-коллектор - коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-р и n-р-n. Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора. Переход, который образуется на границе эмиттер-база, называется эмиттерным, а на границе база-коллектор - коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-р и n-р-n.

Схематическое изображение транзистора типа p-n-p:

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора: 1. Режим отсечки - оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идёт сравнительно небольшой ток; 2. Режим насыщения - оба p-n перехода открыты; 3. Активный режим - один из p-n переходов открыт, а другой закрыт. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причём транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Область транзистора, расположенная между переходами называется базой (Б). Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую - так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы. Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а соответствующий переход эмиттерным. Область, основным назначением которой является экстракцией носителей из базы - коллектор (К), а переход коллекторным.

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности - инверсным. По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы. Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует - бездрейфовым (диффузионным).

Основные физические процессы в биполярных транзисторах В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция. Рассмотрим р-n переход эмиттер - база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок Рn(х) по базе описывается следующим уравнением: Рn(x)=Рno*exp(в*Vg)*exp(-x/Lp)

Распределение инжектированных дырок:

Процесс переноса инжектированных носителей через базу - диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения -диффузионная длина Lp. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. Это условие - W < Lp, является необходимым для реализации транзисторного эффекта - управление током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи. В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе.

Для восполнения прорекомбинированных основных носителей в базе через внешний контакт должны подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы - это рекомбинационный ток. Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса: инжекция из эмиттера в базу; диффузия через базу; рекомбинация в базе; экстракция из базы в коллектор;

Зонная диаграмма биполярного транзистора в равновесном состоянии

Токи в биполярном транзисторе

Для биполярного транзистора p-n-р типа в активном режиме эмиттерный переход смещён в прямом направлении, и через него происходит инжекция дырок, как неосновных носителей, в базу. База должна иметь достаточно малую толщину W, чтобы инжектированные в базу неосновные носители не успевали прорекомбинировать за время переноса через базу. Коллекторный переход, нормально смещенный в обратном направлении "собирает" инжектированные носители, прошедшие через слой базы. Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах. Для любого p-n перехода ток J определяется суммой электронного Jn и дырочного Jp компонент, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие.

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения Uэ > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу Iэр и электронов из базы в эмиттер Iэn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок Iэр будет значительно превышать ток электронов Iэn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу, и если ширина базы W много меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного p-n-р перехода будут переброшены в р-область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером.

Схема БТ в активном режиме, иллюстрирующая компоненты тока с общей базой:

Схема включения биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Компоненты тока в биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа) В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа)

Коэффициент перед сомножителем Iб показывает, как изменяется ток коллектора Iк при единичном изменении тока базы Iб. Он называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент значком. Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (a 1), то из уравнения (5.31) следует, что коэффициент усиления b будет существенно больше единицы (b >> 1). При значениях коэффициента передачи a = 0,98 0,99 коэффициент усиления будет лежать в диапазоне β =

Это выражение можно переписать в виде: Это выражение можно переписать в виде: Где I k0 * тепловой ток отдельно взятого p n перехода, который много больше теплового тока коллектора Iк0, а величина rк определяется как Где I k0 * тепловой ток отдельно взятого p n перехода, который много больше теплового тока коллектора Iк0, а величина rк определяется как Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора Iк при изменении тока базы Iб. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора Iк при изменении тока базы Iб.

Для характеристики величины b как функции параметров биполярного транзистора вспомним, что коэффициент передачи эмиттерного тока определяется как Для характеристики величины b как функции параметров биполярного транзистора вспомним, что коэффициент передачи эмиттерного тока определяется как Где Где Для величины было получено значение : Для величины было получено значение :

Характеристики биполярного транзистора Статические характеристики биполярного транзистора при включении по схеме с ОЭ: Статические характеристики биполярного транзистора при включении по схеме с ОЭ: Выходная характеристика – зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при постоянном токе эмиттера. I K =f(U K ); Iэ=const Выходная характеристика – зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при постоянном токе эмиттера. I K =f(U K ); Iэ=const Входная характеристика – зависимость тока базы от напряжения на базе при постоянном напряжении на коллекторе. I Б =f(U Б ); U K =const Входная характеристика – зависимость тока базы от напряжения на базе при постоянном напряжении на коллекторе. I Б =f(U Б ); U K =const На нижнем рисунке показаны ВАХ биполярных транзисторов (p-n-p и n-p-n) в схеме с общим эмиттером. Различным цветом выделены возможные режимы: отсечки (1), активный или усилительный (2), режим насыщения (3). На нижнем рисунке показаны ВАХ биполярных транзисторов (p-n-p и n-p-n) в схеме с общим эмиттером. Различным цветом выделены возможные режимы: отсечки (1), активный или усилительный (2), режим насыщения (3).

Статические характеристики биполярного транзистора при включении по схеме с ОБ: Статические характеристики биполярного транзистора при включении по схеме с ОБ: Выходная характеристика – зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при постоянном токе эмиттера. I K =f(U K ); I Б =const Выходная характеристика – зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при постоянном токе эмиттера. I K =f(U K ); I Б =const Входная характеристика – зависимость тока эмиттера от напряжения на эмиттере при постоянном напряжении на коллекторе. I Э =f(U Э ); U K =const Входная характеристика – зависимость тока эмиттера от напряжения на эмиттере при постоянном напряжении на коллекторе. I Э =f(U Э ); U K =const На нижнем рисунке показаны ВАХ биполярных транзисторов (p-n-p и n-p-n) в схеме с общей базой (значения раскраски областей те же). На нижнем рисунке показаны ВАХ биполярных транзисторов (p-n-p и n-p-n) в схеме с общей базой (значения раскраски областей те же).