Принцип действия биполярного транзистора

Теоретические замечания

 

Структура биполярного транзистора

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей чередующегося типа электропроводности, которые образуют два p–n перехода, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Центральная область транзистора называется базой, а крайние – эмиттером и коллектором. От каждой области имеется вывод, то есть транзистор имеет три вывода. В зависимости от порядка расположения областей различают транзисторы p – n – p типа и n – p – n типа. На рис.1 приведены упрощенные структуры и условные графические изображения на схемах p – n – p транзисторов (рис. 1,а) и n – p – n транзисторов (рис. 1,б). На этих рисунках введены обозначения: э – эмиттер, б – база, к – коллектор, эп – эмиттерный переход, кп – коллекторный переход.

 

Рис. 1

 

Биполярный транзистор является активным прибором, позволяющим осуществить усиление мощности электрических сигналов. Усилительные свойства транзистора основаны на взаимодействии p–n переходов, которое проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого перехода. Название "биполярный" отражает тот факт, что в процессе переноса электрического тока в биполярных транзисторах участвуют носители заряда обоих знаков – электроны и дырки.

К структуре биполярного транзистора предъявляются определенные требования. Ширина базы w_б (рис. 1) должна быть много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе. Это необходимо для эффективного взаимодействия эмиттерного и коллекторного переходов. Концентрация примеси в базе N_б должна быть значительно меньше концентрации примеси в эмиттере N_э и коллекторе N_к. Концентрация примеси в эмиттере превышает концентрацию примеси в коллекторе, то есть имеет место соотношение N_э > N_к >> N_б. В реальных конструкциях транзисторов (рис. 2) площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного.

Рис. 2

 

Далее для определенности будем рассматривать транзистор n – p – n типа. Однако все результаты будут в равной мере справедливы и для p – n – p типа транзисторов.

 

1.2Режимы работы и схемы включения транзисторов

В зависимости от состояния p–n переходов транзистора различают три основных режима работы:

- активный режим, когда эп – открыт, кп – закрыт;

- режим насыщения, когда эп и кп – открыты;

- режим отсечки, когда эп и кп – закрыт.

Четвертый возможный режим – активный инверсный, когда эп закрыт, а кп – открыт, практически не используется.

Активный режим работы применяется в усилительных и генераторных схемах. Режимы насыщения и отсечки используются в ключевых и импульсных схемах.

Возможны три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рис. 3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3,б) и общим коллектором (ОК) (рис. 3,в).

Рис. 3

Полярности всех напряжений на рис. 3 указаны для активного режима работы транзистора n – p – n типа.

В приведенных схемах транзистор представляет собой четырехполюсник, имеющий входные (1, 2) и выходные (3, 4) клеммы. Наибольшее применение находят схемы с ОЭ и ОБ.

Принцип действия биполярного транзистора

 

Рассмотрим структуру n – p – n транзистора, включенного по схеме с общей базой в активном режиме (рис. 4). Ток эмиттера I_э состоит из двух компонент:

Iэ = Iэn + Iэр,

(1)

где I_эn – ток электронов, инжектированных из эмиттера в базу, I_эр – ток дырок, инжектированных из базы в эмиттер.

 

Рис. 4

Отношение

(2)

называется коэффициентом инжекции. Расчет показывает, что

,

(3)

где ρ_э, ρ_б– удельные сопротивления материала эмиттера и базы, соответственно; μ_рб, μ_пэ– подвижности дырок в базе и электронов в эмиттере, соответственно; N_аб, N _dэ – концентрации акцепторной и донорной примеси в базе и эмиттере, соответственно. Подвижности μ_рб иμ_пэ имеют одинаковый порядок величины, а – концентрация примеси в эмиттере значительно (на 2 – 3 порядка) превышает концентрацию примеси в базе. Поэтому коэффициент инжекции близок к единице и ток эмиттера в основном определяется электронной составляющей I_эn. Этой составляющей соответствует поток электронов J_эп (рис. 4), инжектируемый в базу. Небольшая часть этих электронов J_бп рекомбинирует в базе, давая вклад в ток базы I_б, а основная часть достигает коллекторного перехода, так как

wб << Ln,

(4)

где L_n – диффузионная длина электронов в базе. Достигший обратного включенного коллекторного перехода поток J_кп будет экстрагирован в коллектор, создавая ток коллектора I_кп (так как поле обратно включенного коллекторного перехода является ускоряющим для неосновных носителей).

Отношение

(5)

называется коэффициентом переноса через базу. Расчет для этой величины дает формулу

(6)

Вследствие выполнения условия (4) коэффициент χ близок к единице. Произведение χ∙γ:

(7)

показывает, какая часть тока эмиттера перейдет в коллекторный ток и поэтому называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Коэффициент α меньше единицы, но близок к ней. Его величина составляет 0,9 – 0,99.

Если I_э = 0, то I_кп = α∙ I_э = 0, однако ток коллектора при этом не обратится в нуль, поскольку к коллекторному переходу подключено обратное напряжение U_к, вызывающее небольшой обратный ток перехода I_кт, называемый тепловым током. Поэтому при I_э = 0 ток I_к = I_кт. В общем случае коллекторный ток равен:

Iк = Iкп + Iкт

(8)

Тепловой ток определяется общей формулой тока р – п перехода:

,

(9)

где I_ко – обратный ток насыщения коллекторного перехода,  – температурный потенциал, к – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, е – заряд электрона. Знак минус в формуле (9) определяется выбранным положительным направлением тока на рис. 3 и 4. При обратном включении коллекторного перехода (полярность напряжений показана на рис. 3 и 4) величина U_к в формуле (9) отрицательна.

Подставляя (7) и (9) в формулу (8), получаем:

.

(10)

 

При U_к < 0 и  уравнение коллекторного тока принимает вид:

.

(11)

 

Уравнение (11) показывает, что током коллектора можно управлять путем изменения эмиттерного тока.

Связь эмиттерного тока с напряжением U_э описывается приближенным выражением:

,

(12)

где I_эо – обратный ток насыщения эмиттерного перехода. Формула (12) соответствует прямой ветви вольтамперной характеристики эмиттерного перехода.

Из рис. 4 видно, что эмиттерный ток равен сумме коллекторного и базового:

Iэ = Iк+Iб,

(13)

 

Выражения (11), (12) и (13) позволяют изобразить эквивалентную схему транзистора в активном режиме в виде, показанном на рис. 5.

Рис. 5

 

На этом рисунке диод моделирует эмиттерный переход, генераторы тока αI_э и I_ко – коллекторный переход, r_б – объемное сопротивление базы. Наличие r_б приводит к тому, что напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах оказываются несколько меньше, чем внешние приложенные напряжения U_э и U_к.