Принцип действия биполярного транзистора

Комбинация двух близко расположенных друг к другу р-n-переходов представляет собой биполярный транзистор. Два р-n-перехода разделяют такую структуру на три области, которые называются: эмиттер, база, коллектор (рис.7.1). Соответственно р-n-переходы получили название: база-коллекторный р-n-переход и база-эмиттерный р-n-переход. Название биполярный транзистор связано с тем, что его работа основана на движении как электронов так и дырок.

В зависимости от примесей в этих областях различают транзисторы nрn-типа и рnр-типа. Транзисторы nрn-типа получили наибольшее распространение в силу лучших частотных характеристик. Это объясняется большей подвижностью электронов. Термин биполярный транзистор указывает на то, что работа данного прибора связана с движением как электронов так и дырок.

Будем рассматривать транзистор nрn-типа. При работе с транзистором ко всем трем областям подводится напряжение. На база-эмиттерный (БЭ) переход подается небольшое напряжение в прямом направлении (рис.7.1). Величина напряжения десятые доли вольта и определяется падением напряжения на прямо смещенном переходе (для Si транзистора » 0,7 В). На переход база-коллектор (БК) подают постоянное напряжение в обратном направлении. Величина напряжения от единиц вольт до десятков и даже сотен вольт. Подобная схема включения называется схемой с общей базой (ОБ), так как питающие напряжения подаются относительно базы. Итак, переход БЭ смещен в прямом направлении, переход БК в обратном.

В эмиттере концентрация донорной примеси Nэ значительно больше, чем концентрация акцепторной примеси N_Бв базе, то есть Nэ >> N_Б и база-эмиттерный переход является односторонним р-n⁺-переходом. При прямом смещении эмиттерный ток Jэ через переход определяется в основном электронной компонентой. Происходит преимущественное движение электронов из эмиттера в базу. Поток дырок из базы в эмиттер много меньше. Поэтому говорят, что происходит впрыскивание – инжекция электронов из эмиттера в базу. Попав в базу, электроны становятся в ней неосновными носителями заряда, происходит инжекция неосновных носителей заряда в базу.

Попав в базу, электроны движутся через нее к БК переходу за счет диффузии - диффундируют в базе.

Толщину базы w (рис.7.1) делают значительно меньше диффузионной длины электронов в базе:

w < L_nБ .

Диффузионная длина – среднее Обычно w » 0,5 – 5 мкм; L_nБ » 10 – 20 мкм. Поэтому большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, достигает БК перехода и перебрасывается в коллектор. Возникает ток коллектора Jк. Отсюда и название областей транзистора: эмиттер – от латинского emitto – выпускаю, испускаю; коллектор – от латинского kollector – сборщик.

Ток базы J_Б обусловлен двумя компонентами:

1. Током основных носителей базы – дырок через прямо смещенный эмиттерный переход. Так как концентрация доноров в эмиттере Nэ >> N_Б – концентрации акцепторов в базе, то ток дырок из базы в эмиттер очень маленький.

2. Ток за счет рекомбинации дырок и электронов в базе. Поскольку w < L_nБ, то подавляющая часть электронов за время своей жизни успевает достигнуть коллекторного перехода и перейти в коллектор. Лишь очень небольшая часть электронов успеет прорекомбинировать с дырками базы. Потеря этих дырок и приводит к возникновению этой компоненты J_Б, компенсирующей их убыль.

Обе компоненты базового тока очень малы, поэтому мал и сам ток J_Б.

Токи в в транзисторе связаны соотношениями

J_K = αJ_Э и J_Б = (1-α)J_Э

и согласно закона Кирхгофа

Jэ = J_Б + Jк:

зесь α – коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме с ОБ. В свою очередь

α = γ κ,

где γ – коэффициент эмиттерной инжекции. Определяет, какова доля электронного тока эмиттера в его полном токе и

γ ≈ 1/(1- N_Э/N_Б).

Желательно выполнить коэффициент эмиттерной инжекции близким к единице, для чего стремятся сделать концентрацию примеси в эмиттере много больше концентрации примести в базе.

κ = 1- - коэффициент переноса, определяет: какая часть электронного тока эмиттера достигает коллектора. За счет уменьшения ширины базы в современных транзисторах коэффициент переноса составляет величину более 0,99.

Таким образом и α коэффициент усиления по току в схеме с ОБ близок к единице: α≥0,98. Следовательно, можно в первом приближении считать, что Jэ » Jк.

Попробуем оценить коэффициент усиления транзистора по мощности к_р в схеме с общей базой (ОБ).

Входная мощность Рвх = Jэ*Vбэ = Jэ²r_д. Выходная мощность снимается с сопротивления нагрузки Rн и Рвых = Jк²Rн. Тогда

в силу Jэ » Jк.

При токе Jэ = 1 мА r_д = 25 Ом. Тогда к_р = 400.

То есть схема включения транзистора с общей базой обеспечивает большой коэффициент усиления электрических сигналов по мощности или напряжению. Усиления по току не происходит, поскольку входной ток J_Э примерно равен выходному току J_К.

При включении транзистора в схеме с общим эмиттером управление током коллектора производится малым током базы Jб. В такой схеме включения транзистора происходит усиление входного сигнала по напряжению и току и, естественно по мощности.

Полевые транзисторы

Работа полевых транзисторов основана на изменении проводящих свойств поверхностного слоя кристалла полупроводника по действием электрического поля. Рассмотрим полупроводник n-типа.

Полупроводник электронейтрален, то есть в каждой точке объема сумма всех зарядов равна нулю. Пусть теперь на поверхности полупроводника имеется положительный заряд. Этот заряд вызовет притяжение к поверхности кристалла полупроводника электронов для компенсации поверхностного заряда. Следовательно, у поверхности полупроводника образуется слой с повышенным содержанием электронов – основных носителей заряда в глубине объема полупроводника. Возникает явление обогащения поверхностного слоя основными носителями заряда. Проводимость поверхностного слоя возрастает.

Если на поверхности полупроводника отрицательный заряд, то он вызовет притяжение носителей заряда противоположного знака – дырок и отталкивание носителей отрицательного заряда – электронов. Таким образом, в поверхностном слое полупроводника формируется слой обедненный основными носителями заряда. Возникает явление обеднения основными носителями заряда. Проводимость поверхностного слоя полупроводника уменьшается. При некоторой величине отрицательного поверхностного заряда концентрация электронов в поверхностном слое уменьшится настолько, что станет равна концентрации дырок n₀=р₀. То есть свойства поверхностного слоя такие же как и у собственного полупроводника и проводимость этого слоя будет минимальна.

Пусть теперь на поверхности полупроводника существует достаточно большой отрицательный заряд. Для компенсации этого заряда из объема полупроводника будет притянуто большое число дырок и оттолкнуто большое число электронов. Поэтому в поверхностном слое р₀ > n₀. Если в объеме кристалла полупроводника проводимость n-типа, то в поверхностном слое проводимость р-типа, то есть в поверхностном слое полупроводника происходит смена типа проводимости – возникает явление инверсии проводимости.

Толщина приповерхностного слоя полупроводника, в котором происходит изменение проводимости составляет несколько микрон.

Таким образом, изменяя величину и знак заряда на поверхности полупроводника, можно изменять в широких пределах проводимость поверхностного слоя полупроводника. Подобные же явления возникают и на поверхности кристалла полупроводника р-типа.

Из изложенного следует, что можно изготовить полупроводниковый прибор, в котором возможно управление поверхностным током посредством изменения величины заряда на поверхности кристалла.

Идея такого прибора – полевого транзистора – была предложена примерно 100 лет тому назад, задолго до разработки биполярного транзистора. Причина в том, что в те годы ученые не могли контролировать состояние поверхности полупроводника, заряд на его поверхности, величина которого могла быть весьма большой.

Осознание роли процессов на поверхности полупроводника привело к созданию полевых транзисторов.