Биполярные транзисторы. Биполярный транзистор в виде нелинейной физической модели Молла–Эберса

Лекция 4

1.6. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника с чередующимися типами проводимости: n-p-n или p-n-p (на рис 1.19 приведена структура биполярного транзистора типа n-p-n). На границах слоев с разным типом проводимости образуются два встречновключенных  p-n-перехода (эмиттерный и коллекторный), потенциальные барьеры которых создаются ионизированными атомами примесей (“+” и “–“ на рис. 1.19). У реального транзистора один из крайних слоев (эмиттер) имеет гораздо большую концентрацию примеси по сравнению с другим крайним слоем и является источником подвижных носителей заряда, тогда как второй крайний слой  (коллектор) отличается гораздо большей площадью p-n-перехода, что позволяет ему более эффективно собирать носители заряда, инжектированные эмиттером и прошедшие средний слой, называемый базой. Чтобы уменьшить в базе вероятность рекомбинации носителей заряда, перемещающихся из эмиттера в коллектор, базу делают сравнительно высокоомной (с низкой концентрацией примеси)  и узкой.

В зависимости от полярности внешних источников питания различают четыре режима работы биполярного транзистора: активный режим, режим двойной инжекции, режим отсечки и инверсный режим. В активном режиме работы (рис.1.20,а) напряжение между эмиттером и базой () является прямым, а между коллектором и базой () – обратным, поэтому эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Под действием прямого напряжения  основные носители заряда (здесь – электроны) из эмиттера переходят в базу, где они становятся неосновными носителями, для которых закрытый коллекторный переход не является препятствием, поэтому они свободно переходят в коллектор, создавая во внешней цепи коллекторный ток  (направление положительного тока противоположно движению электронов), при этом только очень небольшая часть носителей заряда успевает рекомбинировать в базе, образуя основную составляющую тока базы . Другая составляющая () образуется неосновными носителями (дырками) коллектора (собственные неосновные носители заряда базы не играют существенной роли, поскольку их в высокоомной базе немного). Этот небольшой ток  протекает также и в коллекторной цепи в составе тока :

.                                                                           (1.2)

В выражении (1.2) коэффициент передачи тока эмиттера  показывает какая часть приращения тока эмиттера передается в коллектор:

.

Учитывая, что ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы, т.е.

,                                                                             (1.3)

выражение для тока базы можно записать в таком виде:

.

Поскольку , ток базы  составляет только незначительную часть тока эмиттера.

Закрытый коллекторный переход имеет сравнительно большую ширину и расположен преимущественно в базе как более высокоомном слое. Поэтому увеличение обратного напряжения  приводит к уменьшению эффективной ширины базы, что, во-первых, уменьшает вероятность рекомбинации носителей в базе, а во-вторых, понижает потенциальный барьер эмиттерного перехода (основные носители заряда базы сдвигаются в сторону эмиттерного перехода, частично нейтрализуя заряды ионов p-n-перехода). Изменение ширины базы и ее свойств под действием обратного коллекторного напряжения называется эффектом модуляции ширины базы (эффектом Эрли).

Изменяя в небольших пределах напряжение , можно значительно изменять ток эмиттера , а значит, и ток коллектора , т.е. управлять большой мощностью в выходной цепи (напряжение  в активном режиме может быть большим), затрачивая сравнительно небольшую мощность во входной цепи (цепи эмиттер–база) – в этом и проявляются усилительные свойства биполярного транзистора.

В режиме двойной инжекции (режиме насыщения) напряжения  и  прямые (рис. 1.20,б) и оба  p-n-перехода открыты, при этом крайние слои выполняют как функции эмиттеров, инжектируя носители заряда (здесь – электроны) в базу, так и функции коллекторов, собирая носители заряда, прошедшие базу. Обозначив ток, образованный электронами эмиттера, через , а ток, образованный электронами коллектора, через , запишем выражения для внешних токов:

,                                                              (1.4)

где  – инверсный коэффициент передачи тока.

Поскольку структура реального биполярного транзистора асимметрична (площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного перехода, а слой коллектора высокоомнее слоя эмиттера), . При равенстве внешних напряжений составляющие тока коллектора примерно равны, поэтому  близок к нулю. При уменьшении прямого напряжения от значения  модуль составляющей  уменьшается, поэтому увеличивается ток , причем резко, поскольку он равен разности двух составляющих. Подстановка (1.4) в (1.3) дает следующее выражение для тока базы:

,                                                                  (1.5)

подтверждающее тот факт, что базовый ток в режиме двойной инжекции равен сумме двух токов рекомбинации.

В режиме отсечки оба  p-n-перехода закрыты под действием обратных напряжений  и , вследствие чего через переходы протекают только небольшие неуправляемые токи неосновных носителей заряда.

Если к коллекторному переходу приложить прямое напряжение, а к эмиттерному обратное, то поменяются роли у коллектора и эмиттера (инверсный режим работы), и транзистор будет работать в активном режиме, но не так эффективно из-за конструктивной асимметрии транзистора.

Биполярные транзисторы подразделяются на диффузионные и дрейфовые. В названиях “диффузионные” и “дрейфовые” отражается механизм движения носителей заряда через базу: диффузия под действием градиента концентрации носителей заряда и дрейф под действием градиента электрического потенциала. У дрейфовых транзисторов за счет неравномерной концентрации примеси в базе создается электрическое поле, ускоряющее движение носителей заряда через базу, что увеличивает коэффициент передачи эмиттерного тока и граничную частоту. В микросхемах в основном используются дрейфовые транзисторы