Биполярные транзисторы: принцип работы, структура

Лекция 8

В зависимости от принципа действия и конструкционных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют полупроводни­ковые приборы, работа которых базируется на явлениях инжекции неосновных носителей заряда через р-п-переходы и экстракции этих носителей заряда. В своей полупроводниковой структуре они содержат два или более взаимодействующих электрических р-п-переходов и, соответственно, три (или более) внешних выводов.

В настоящее время широко используют биполярные тран­зисторы с двумя р-п-переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности раз­личных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-п-р и п-р-п-типов.

Физические процессы в транзисторах.Упрощенная структура биполярного п-р-п-транзистора показана на рис. 8.1(а), структура р-п-р-транзистора – на рис. 8.1(б).Усло­вные обозначения этих транзисторов - на рис. 8.2.

При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложе­но прямое напряжение, к другому - обратное.

При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответству­ющий наружный слой - эмиттером (Э); средний слой называ­ют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллектор­ным, а соответствующий наружный слой - коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

Типовые структуры некоторых биполярных транзисторов, изготовлен­ных по различным технологиям с использованием кристаллов германия (Ge) или кремния (Si), приведены на рис. 8.3. Электроды, необходимые для припаивания внешних выводов и для обеспечения контакта определенных областей полупроводниковой структуры транзистора с этими выводами, изготавливаются из металла (в некоторых транзисторах из индия, In). На рис. 8.3 (б, в) электроды представлены широкими черными линиями.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носи­тели заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузи­онными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе возникает внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Понятие «диффузионный транзи­стор» отражает основные процессы, происходящие в базе, поэтому его не следует путать с технологическим процессом получения р-п-переходов.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выпол­няют низкоомными, а базу - относительно высокоомной (де­сятки - сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора.

Все положения, рассмотренные ранее для единичного р-п-перехода, справедливы для каждого из р-п-переходов тран­зистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протека­ющими через каждый р-п-переход, и результирующие токи равны нулю.

При подключении к электродам транзистора напряжений U_ЭБ1 и U_KБ1(рис. 8.4) эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через р-п-переход в область базы (инжекция дырок), а электроны—из области базы в область эмиттера.

Обычно уровни легирования эмиттерного и коллекторного областей полупроводниковой структуры транзистора делают значительно более высокими, чем уровень легирования базы. По этой причине дырочный поток носителей заряда через эмиттерный р-п-переход преобладает над электронным. Этот факт дает возможность в первом приближении пренебрегать электронной частью тока через эмиттерный р-п-переход. Для количественной оценки составляющих полного тока р-п-перехода используют коэффициент инжекции

g = I_Эр /(I_Эр + I_Эп)» I_Эр / I_Э ,(8.1)

где I_Эр и I_Эп - дырочная и электронная составляющие тока р-п-перехода;" I_Э- полный ток р-п-перехода.

Дырки, инжектированные из эмиттера в базу, создают вблизи р-п-перехода в базовой области электрический заряд, который в течение времени (3¸5)t_е компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника U_ЭБ1 (пути движения этих электронов показаны штрих-пунктирными стрелками). Аналогично, заряд неосновных носителей (электронов) в эмит­тере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток I_Б1,который направлен из базы.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных тран­зисторах) и разности концентраций и внутреннего электричес­кого поля (в дрейфовых транзисторах) инжектированные в базу носители заряда и носители отрицательного заряда, компенсировавшие заряд инжектированных дырок и тем самым обеспечившие электронейтральность базы, движутся в глубь ее по направлению к коллектору. Если бы база была достаточно толстой (W >3L), то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней, В результате, в области, прилегающей к коллекторному р-п-переходу, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного р-п-перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины, т. е. W << 0,2L. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения ими базы. Большинство дырок, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного р-п-перехода в ускоряющее электрическое поле этого перехода, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток I_Б2, направленный в базу транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного р-п-перехода несколько больше тока коллек­торного р-п-перехода. Отношение числа неосновных носи­телей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, к числу инжектированных через эмиттерный переход дырок определяет коэффициент переноса

k = р_к1 / р_э1 = I_Кр / I_Эр , (8.2)

где р_к1 и р_э1 - концентрация дырок, прошедших через коллек­торный и эмиттерный переходы; I_Кр и I_Эр —токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через обратносмещенный коллекторный р-п-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации t_e, они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода и ток эмиттера был бы равен току коллектора. В действительности только часть тока эмиттера составляют дырки и только часть их доходит до коллек­торного перехода. Поэтому ток коллектора, вызванный инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный пе­реход, равен

I_К = a I_Э, (8.3)

где a = g ×k - коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неос­новными носителями заряда, через р-п-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток /_КБО. Причины его возникновения те же, что и в единичном р-п-переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному р-п-переходу приложить напряжение, изменя­ющее по этому закону ток эмиттера.

При подключении к электродам транзистора напряжений U_ЭБ1 и U_KБ1эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В результате снижения потенциального барьера через р-п-переход происходит инжекция основных носителей (электронов из слоя с п- типом проводимости и дырок – из р-слоя).

Обычно уровни легирования эмиттерного и коллекторного областей полупроводниковой структуры транзистора делают значительно более высокими, чем уровень легирования базы. По этой причине в транзисторах со структурой р-п-р дырочный поток носителей заряда через эмиттерный р-п-переход преобладает над электронным. В п-р-п-транзисторах – наоборот. Этот факт дает возможность в первом приближении пренебрегать той частью тока, протекающего через эмиттерный р-п-переход, которая связана с основными носителями в базе. Для количественной оценки составляющих полного тока р-п-перехода используют коэффициент инжекции, который для р-п-р-транзистора, например, определяется равенством

g = I_Эр /(I_Эр + I_Эп)» I_Эр / I_Э ,(8.4)

где I_Эр и I_Эп - дырочная и электронная составляющие тока р-п-перехода; I_Э- полный ток р-п-перехода. Для п-р-п-транзистора индексы р следует заменить на п и наоборот. Учитывая это, в дальнейшем будем говорить лишь о р-п-р-транзисторах. Для них отношение числа неосновных носи­телей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, к числу инжектированных через эмиттерный переход дырок определяет коэффициент переноса

k = р_к1 / р_э1 = I_Кр / I_Эр , (8.5)

где р_к1 и р_э1 - концентрация дырок, прошедших через коллек­торный и эмиттерный переходы; I_Кр и I_Эр - токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Ток коллектора, вызванный инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный пе­реход, равен

I_К = a I_Э, (8.6)

где a = g k - коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неос­новными носителями заряда, через р-п-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток I_КБО.