Структура, принцип действия, статические характеристики

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя выводами. Название прибора “транзистор” состоит из двух английских слов: transfer – переносить, преобразовывать и resistor – сопротивление. В биполярных транзисторах, которые называют просто транзисторами, перенос электрического тока в кристалле полупроводника и усиление сигнала обусловлены движением носителей заряда обеих полярностей – электронов и дырок, поэтому он называется «биполярным».

Структура биполярного транзистора представляется тремя областями с чередующимися типами проводимости. Порядок чередования областей определяет транзисторы с прямой ( ) и обратной ( ) проводимостью. Упрощенные схемы структур и условные графические изображения этих типов транзисторов показаны на рис.9.

Рис. 9. Структуры транзисторов: прямой проводимости (а) и обратной проводимости (с). Условные обозначения транзисторов прямой проводимости (b) и обратной проводимости (d)

На месте контакта и образуется два перехода: эмиттерный и коллекторный. Взаимодействие между ними будет обеспечено тогда, когда толщина области между переходами, которая называется базой (Б), будет меньше диффузионной длины пробега неосновных носителей заряда. Примыкающие к базе области чаще всего неодинаковы. Одну из них изготавливают так, чтобы она обеспечивала эффективную инжекцию носителей в базу. Эта область обычно легирована значительно сильнее, чем база, и называется эмиттером (Э). Другая область должна наилучшим образом осуществлять экстракцию (отсос) носителей из базы и называется коллектором (К). Соответственно, примыкающий к эмиттеру переход называется эмиттерным, а примыкающий к коллектору – коллекторным. Рассмотрим работу транзистора на примере структуры прямой проводимости (рис.10).

Рис.10. Структура транзистора прямой проводимости и

потенциальная диаграмма

Подсоединим к транзистору внешние источники напряжения и . База является общим электродом для обоих источников, поэтому такое включение называют схемой включения с общей базой (ОБ). Полярность источников подбирают так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Под действием внешних источников потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается на величину , а на коллекторном - увеличивается на величину , как видно из потенциальной диаграммы(рис.10.)

Через низкий потенциальный барьер в эмиттерном переходе дырки переходят в базу (поток 1, ток эмиттера ), диффундируют через нее, достигают коллекторного перехода, попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода и переносятся этим полем в область коллектора (поток 2, ток коллектора ). Перемещаясь через базу, часть дырок встречается с электронами и рекомбинируют с ними, в результате чего поток 1 разделяется на две части - поток 2 и поток 3 (ток базы ). Эти потоки являются основными, определяющими работу транзистора. Уравнения баланса токов можно записать в виде:

.

Усилительные свойства транзистора определяются интегральным коэффициентом передачи по току при схеме включения с общей базой

.

Он должен быть как можно ближе к единице, а это возможно за счет уменьшения тока базы, который возникает вследствие рекомбинации носителей заряда. Для уменьшения вероятности рекомбинации базовую область делают слабо легированной, уменьшают ширину базовой области, создают ускоряющее поле в базовом слое.

Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению неуправляемого тока - перехода (поток 4), он возникает за счет дрейфа неосновных носителей (электронов). С учетом этого тока, который называется неуправляемым током коллектора , можно записать

,

.

Статические вольт-амперные характеристики транзистора

Вид характеристик зависит от схемы включения транзистора. Различают три схемы включения с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) (рис.11).

Рис.11. Схемы включения транзисторов:

с общей базой (а), с общим эмиттером (b), общим коллектором (с)

Обратите внимание, что общий электрод в индексе обозначения напряжения всегда стоит вторым.

Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером, так как только такое включение обеспечивает значительный коэффициент усиления и по току, и по напряжению. Остановимся на анализе этой схемы включения (рис.12).

Рис.12. Схема включения с общим эмиттером

Обычно рассматривают два вида характеристик: входная и выходная.

Входная характеристика– это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении

имеет вид, показанный на рис.13.

Рис.13. Входная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ

При входная характеристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики двух - переходов, включенных параллельно.

Ток базы, при этом, равен сумме токов, проходящих через эмиттер и коллектор, причем последний работает в режиме эмиттера.

Если на коллектор подать отрицательное напряжение , то коллекторный переход окажется под обратным напряжением, ток базы будет составлять лишь малую часть тока эмиттера. Это объясняется двумя причинами:

· происходит перераспределение токов между базой и коллектором, ток коллектора увеличивается, а ток базы уменьшается;

· модуляция базовой области – это уменьшение ширины базы при приложении к коллектору обратного напряжения, вероятность рекомбинации уменьшается, что и приводит к уменьшению базового тока.

Увеличение по абсолютной величине приводит к сдвигу характеристики вправо. Это особенно заметно при относительно малых напряжениях, при росте напряжения характеристики практически сливаются в одну.

В токе присутствует составляющая , поэтому при ток , а ток .

Выходная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе

имеет вид, показанный на рис.14.

Рис.14. Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Рассмотрев одну из статических характеристик, например, при , выделим на ней три участка: 1 - имеет сильную зависимость тока от напряжения ; 2 – пологий участок, имеющий относительно слабую зависимость; 3 – резкий рост тока.

На 1-ом участке при напряжение на коллекторном переходе равно , коллекторный переход открыт и инжектирует дырки в базу. Потоки дырок через коллекторный переход (от эмиттера в коллектор и от коллектора в базу) взаимно уравновешиваются, и ток . По мере повышения напряжения , прямое напряжение на коллекторном переходе снижается, его инжекция уменьшается и ток растет.

На 2-ом участке на коллекторный переход действует обратное напряжение, в этом случае справедливы выражения

,

.

Исключив , получим

или

,

где - коэффициент передачи по току при схеме с ОЭ;

- начальный или сквозной ток коллектора.

Коллекторные характеристики имеют некоторый наклон к оси абсцисс, вызванный эффектом модуляции базовой области.

На 3-ем участке наблюдается лавинный пробой коллекторного перехода, который может перейти в тепловой. Напряжение не должно превосходить допустимое значение, указанное в справочниках.

Анализируя вид выходных характеристик, учитывая, что реальные характеристики проходят почти параллельно оси напряжения, можно сделать вывод, что транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому током.