Фізичні процеси в біполярних транзисторах

Біполярними транзисторами називають напівпровідникові прилади з двома взаємодіючими електричними РN переходами і трьома виводами, підсилювальні властивості яких обумовлені явищами інжекції й екстракції неосновних носіїв заряду.

Біполярні транзистори складаються з областей (шарів), що чередуються, напівпровідників, що мають електропровідності різних типів. У залежності від типу електропровідності зовнішніх шарів розрізняють транзистори РNР і NРN типів.

Транзистори, у яких РN переходи створюються у поверхонь зіткнення напівпровідникових шарів, називають площинними.

Спрощена структура площинного РNР транзистора показана на рисунку 8.1, а, умовні позначення РNР і NРN транзисторів — на рисунку 8.1,б).

При підключенні напруг до окремих шарів біполярного транзистора виявляється, що до одного переходу прикладена пряма напруга, до іншого — зворотня.

При цьому перехід, до якого при нормальному включенні прикладена пряма напруга, називають емітерним, а відповідний зовнішній шар — емітером (Е); середній шар називають базою (Б). Другий перехід, зміщений прикладеною напругою в зворотному напрямку, називають колекторним, а відповідний зовнішній шар — колектором (К).

Якби емітерний і колекторний переходи знаходилися на великій відстані друг від друга, тобто товщина бази була б значно більше дифузійної довжини, то носії, інжектовані емітером, не доходили б до колектора, а рекомбінували в базі. Така система з двох РN переходів вела б себе як два взаємно незв'язаних напівпровідникових діоди. Причому вольт-амперна характеристика емітерного переходу представляла би пряму, а колекторного — зворотну гілку характеристики діода.

Особливість транзистора полягає у взаємному впливі переходів один на одного. Для ефективного впливу емітерного переходу на колекторний необхідно виконання наступних основних вимог.

- товщина бази транзистора повинна бути багато менше дифузійної довжини інжектованих в неї носіїв;

- база повинна мати концентрацію основних носіїв багато меншої концентрації їхній в області емітера;

- концентрацію основних носіїв в області колектора звичайно роблять трохи меншою, чим в області емітера;

- площа колекторного переходу повинна бути в кілька разів більше площі емітерного переходу.

Однотипність шарів колектора і емітера дозволяє при включенні змінювати їх місцями. Таке включення називається інверсним. При інверсному включенні параметри реального транзистора істотно відрізняються від параметрів при нормальному включенні.

У залежності від технології виготовлення транзистора концентрація домішок у базі може бути розподілена рівномірно чи нерівномірно.

При рівномірному розподілі внутрішнє електричне поле відсутнє і неосновні носії заряду, що потрапили в базу, рухаються в ній унаслідок процесу дифузії. Такі транзистори називають дифузійними чи бездрейфовими.

При нерівномірному розподілі концентрації домішок у базі мається внутрішнє електричне поле (при збереженні в цілому електронейтральності бази) і неосновні носії заряду рухаються в ній у результаті дрейфу і дифузії, причому дрейф відіграє домінуючу роль. Такі транзистори називають дрейфовими.

При виготовленні транзисторів емітер і колектор виконують низькоомними, а базу— відносно високоомною (десятки-сотні Ом). При цьому питомий опір області емітера трохи менше, ніж області колектора.

Усі положення, розглянуті раніше для одиничного РN переходу, справедливі для кожного з РN переходів транзистора. У рівноважному стані спостерігається динамічна рівновага між потоками дірок і електронів, що протікають через кожний РN перехід, і результуючі струми дорівнюють нулю.

Для зручності пояснення було введено термін робочі носії транзистора – це основні носії емітера.

1. При підключенні до електродів транзистора напруг U’еб і U’кб (рисунок 8.2) емітерний перехід зміщається в прямому напрямку, а колекторний — у зворотному.

2. У результаті зниження потенційного бар'єра робочі носії транзистора (дірки) з області емітера дифундують через РN перехід в область бази (інжекція дірок). Тому що питомий опір бази високий, потік робочих носіїв заряду переважає над електронним. Тому останнім (у першому наближенні) можна зневажити.

3. Робочі носії транзистора (дірки), інжектовані в базу, створюють поблизу Р-N переходу електричний заряд, що протягом часу (3 - 5) τε компенсується електронами, які приходять із зовнішнього ланцюга від джерела U'еб. Аналогічно, заряд електродів у емітері компенсується додатковими дірками, але тому що інжекція - наближається до однобічної, то ці процеси можна не розглядати. Прихід електронів у базу з зовнішнього ланцюга створює в останній електричний струм I_Б’, що спрямований з бази.

4. Інжектовані в базу робочі носії заряду і носії заряду, що компенсували їхній заряд і тим самим забезпечили електронейтральність бази, рухаються в глиб її в напрямку до колектора. Якби база була досить товстою (W>3L, L- дифузійної довжини неосновного носія в базі), то всі інжектовані носії заряду рекомбинували б у ній і в області, що прилягає до колекторному РN переходу, їхня концентрація стала б рівноважною. Тоді через колекторний перехід протікав би зворотний струм, рівний струму зворотнозміщенного РN переходу. Однак у всіх реальних транзисторах ширина бази W у багато разів менше дифузійної довжини, тобто W«0,2L. Тому час життя неосновних носіїв заряду в базі в багато разів більше часу, необхідного для проходження ними бази. Більшість дірок, інжектованих в базу, не встигають рекомбінувати з електронами і, потрапивши поблизу колекторного РN переходу в поле, що прискорює, втягуються в колектор (екстракція дірок). Електрони, число яких дорівнює числу дірок, що пішли через колекторний перехід, у свою чергу, ідуть через базовий вивід, створюючи струм I"б, спрямований у базу транзистора.

Таким чином, струм через базовий вивід транзистора визначають дві зустрічно спрямовані складові струму. Якби в базі процеси рекомбінації були відсутні, то ці струми були б рівні між собою, а результуючий струм бази був би нуль. Але тому що процеси рекомбінації маються в будь-якому реальному транзисторі, то струм емітерного РN переходу трохи більше струму колекторного Р-N переходу.

5. На колекторний перехід подана значна зворотна напруга і там існує значне електричне поле. Це поле переносить, дірки з бази в колектор, за рахунок чого і створюється струм колектора. Джерелом струму колектора є Ек, і тому можна вважати, що струм колектора протікає по ланцюзі: (+ Ек)- база - колектор (-Ек).

На колекторному переході існує електричне поле з великою напруженістю. Воно перекидає через перехід будь-який неосновний носій, що з'являється в цьому полі. Дірки в базі є неосновними носіями заряду і вільно проходять в область колектора.

Крім струму, викликаного інжектованими в базу неосновними носіями заряду, через РN перехід, зміщений у зворотному напрямку, протікає зворотний некерований струм Iко. Причини його виникнення ті ж, що й в РN переході.

Зміна напруги, прикладеної до емітерного переходу, викликає зміну кількості інжектованих у базу неосновних носіїв заряду і відповідну зміну струму емітера і колектора. Отже, для зміни колекторного струму необхідно до емітерному РN переходу прикласти напругу, що змінює струм емітера.