Физические основы работы биполярного транзистора

Для биполярного транзистора p-n-p структуры различают три области (рис.1): левая область – p-типа – эмиттер; средняя область - n-типа – база; правая область – p-типа – коллектор. Физические процессы в этих областях определяют основу работы биполярного транзистора.

Эмиттер или эмиттерный электронно-дырочный переход (p-n переход эмиттер – база /5/), как правило, имеет прямое смещение, т.е. напряжение U_ЭБ эмиттер – база имеет такую полярность, чтобы p-n переход находился под прямым смещением. В этом случае эмиттер является источником подвижных носителей тока и основное назначение эмиттера – инжекция носителей заряда в базу. Ток эмиттера описывается экспоненциальной функцией, справедливой для прямосмещенного p-n перехода (1). Полное значение тока эмиттера включает дырочную и электронную составляющие. Поскольку N_Э >> N_Б, то дырочная составляющая тока эмиттера будет много больше электронной составляющей. При этом утверждается, что в транзисторе p-n-p структуры за усилительные свойства ответственна дырочная составляющая тока эмиттера. Основным параметром, который характеризует инжекционную способность эмиттера, является эффективность эмиттера:

, (2)

где и – удельные сопротивления эмиттерного и базового слоев полупроводника; W – толщина базы; L_Р – длина свободного пробега дырок в базе.

Практически , , поэтому .

База предназначена для эффективной передачи носителей заряда от эмиттера к коллектору. Дырки, инжектированные эмиттером в базу, за счет градиента их концентрации диффундируют вдоль базы. Для компенсации положительного объемного заряда дырок в базу входят компенсирующие электроны из внешней цепи. Часть дырок рекомбинирует с электронами и рассеивается на неоднородностях в решетке кристалла, не доходя до коллектора. Взамен рекомбинированных электронов в базу входят новые компенсирующие электроны, создающие одну из составляющих тока базы.

Рекомбинационные потери в базе учитываются коэффициентом переноса . Коэффициент переноса показывает, какая часть дырок, инжектированных эмиттером, достигает коллекторного перехода:

. (3)

Обычно , поэтому Для увеличения коллекторный переход по площади должен быть больше эмиттерного, чтобы собирать большую часть дырок, движущихся от эмиттера к коллектору вдоль базы несколько расходящимся пучком (рис.1).

Коллектор предназначен для эффективного сбора дырок, диффундируемых вдоль базы и инжектированных эмиттером. Как уже отмечалось, S_К > S_Э, и это позволяет уменьшить влияние краевых эффектов в базе, увеличивается активная часть базы, уменьшается пассивная часть базы. Кроме этого, увеличение S_К ведет к возрастанию допустимой мощности рассеяния на коллекторном переходе: P_К = I_К · U_КБ, причем в активном режиме работы биполярного транзистора напряжение коллектор – база по модулю много больше напряжения эмиттер – база, а напряжение пробоя для коллекторного перехода определяется его значением для лавинного пробоя. Через коллекторный переход протекает не только дырочный, но и электронный ток, поэтому можно говорить об эффективности коллекторного перехода, определяемой из соотношения

. (4)

При отсутствии лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе .

Произведение трех коэффициентов определяет коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор или коэффициент передачи по току биполярного транзистора в схеме включения с ОБ:

. (5)

Практическое применение находят транзисторы, имеющие . Таким образом, коллекторный ток почти равен эмиттерному, но напряжение на коллекторном (обратно смещенном) p-n переходе может быть во много раз больше, чем на эмиттерном, поэтому в транзисторе имеет место усиление сигнала по мощности.

Рис.2. Диаграмма токов в транзисторе

При разорванной цепи эмиттера ( ) через коллекторный переход протекает, как и через обычный обратно смещенный p-n переход, ток неосновных носителей заряда, называемый неуправляемым током коллекторного перехода . Этот ток почти не зависит от изменения напряжения на коллекторе, но экспоненциально увеличивается с ростом температуры. Ток замыкается по цепи база – коллектор, т.е. совпадает по направлению с основным током коллектора и направлен встречно с током базы, вызванным рекомбинационными потерями в базе и электронным током эмиттера (рис.2).

При некотором токе в цепи коллектора протекает ток , а в цепи базы .