Биполярные транзисторы

2.1.4. Качественный анализ работы биполярного транзистора

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя выводами или более, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Транзисторы представляют собой полупроводниковые кристаллы, состоящие из двух областей одного типа проводимости, разделенных областью другого типа проводимости — n—р—п- или р—п—р-структуры. Каждая из областей имеет омический контакт с внешними электродами. Напряжения подводятся к трем контактам таким образом, что переход

Рис. 2.8. Схемы включения транзисторов: а—с общей базой (ОБ); б — с общим эмиттером (ОЭ)

эмиттер — база смещен в прямом направлении, в то время как другой переход коллектор — база — в обратном направлении. Область, разделяющую эмиттер и коллектор, называют базой.

Возможно несколько способов включения транзисторов. Если общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является база, то такое включение называют включением по схеме с общей базой (ОБ) (рис. 1.5, а). Однако эта схема, как будет дальше показано, не обеспечивает усиления по току, и на практике чаще используется схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 2.8,6), которая обеспечивает усиление по току.

Рассмотрим одномерную модель р—п—р-транзистора (рис. 2.9) в схеме с ОБ. Соответствующие энергетические диаграммы для равновесного состояния и для нормального усилительного режима включения приведены на этом же рисунке. В нормальном усилительном режиме потенциальный барьер эмиттера понижается, и происходит инжекция дырок в базу и электронов в эмиттер.

Рис. 2.9. Схема включения и зонные диаграммы транзистора: а— в равновесном состоянии; б — в нормальном усилительном режиме.

Рис. 2.9, в. Схема движения носителей заряда в транзисторе

Обычно база транзистора легирована значительно меньше, чем слой эмиттера и коллектора, и p_p >> n_n. Поэтому электронной составляющей тока инжекции можно пренебречь, и весь ток через переход будет создаваться дырками. Носители, инжектированные эмиттером, проходят слой базы и, если толщина базы W достаточно мала (W<<L_p), доходят до коллекторного перехода и собираются им.

В случае тонкой базы рекомбинация дырок в ней будет мала и коллекторный ток практически равен инжектированному эмиттером. Небольшая разность между эмиттерным и коллекторным токами составляет ток базы, обусловленный электронами, пополняющими убыль электронов в базе при рекомбинации с дырками.

Эффективность эмиттера оценивают величиной коэффициента инжекции γ, равного отношению дырочного инжекционного тока к полному току эмиттера:

γ = I_pe/(I_ne+ I_pe) = (1+ I_ne/I_pe)^-1  1- I_ne/I_pe (2.13)

поскольку I_ne/I_pe <<1. Используя выражения (1.10), (1.11) и соотношение Эйнштейна, получаем:

γ =1- , (2.14)

где σ_n =qμ_nn_n и σ_p =qμ_pn_p — удельные проводимости базы и эмиттера.

Во время прохождения базы часть дырок р будет рекомбинировать в ней. Поэтому ток дырок, приходящих на коллектор, равен I_pc = γβI_pe = αI_e, где α — коэффициент передачи эмиттерного тока в схеме с ОБ,

β = I_pc/I_pe  1- — коэффициент переноса эмиттерного тока, показывающий, какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора.

Таким образом, чем меньше ширина базы W, тем большее количество неравновесных дырок будет достигать коллектора и увеличивать ток коллекторного перехода. В этом в общих чертах заключается механизм управления током коллекторного перехода при помощи тока эмиттерного перехода.

В р—п—р-транзисторе перенос тока осуществляется дырками. Для прибора n—р—n-типа результат аналогичен, но перенос осуществляется электронами и полярность напряжений V_e и V_c противоположная. И в том и в другом случаях ток переносится неравновесными неосновными носителями.