Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колеба­ний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка че­редования различают БТ типа п-р-п (или со структурой n-p-n) и типа р-п-р (или со структурой р-n-р), условные изображения которых по­казаны на рис. 5.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рис. 5 2 В этой структуре существуют два перехода с неодинако­вой площадью: площадь перехода n ₁- р меньше, чем у перехода n₂-р. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n ₁ с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n₂). Поэтому БТ является асимметрич­ным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних об­ластей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n₁) называется эмиттером, а область n₂ – коллектором. Соответст­венно переход n₁-р называют эмиттерным, а n₂-p коллектор­ным. Средняя область (p) называется базовой (или базой). Контакты с областями БТ обозначены на рис. 5.2,а буквами: Э – эмит­тер; Б –база; К– коллектор.

Рабочей (активной) частью БТ является область объема стру­ктуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (но заштрихо­вана на рис. 5.2,а). Остальные (заштрихованные) участки структуры являются пассивными («паразитными»), обусловленными конструктивно-технологическими причинами. На рис. 5.2,б показана идеализированная структура БТ без пассивных областей, т.е. только активная часть транзистора, изображенная для удобства описания горизонтально. Сильнолегированная эмиттерная область обозначена верхним индексом «+» (n⁺), а нижние индексы 1 и 2 опущены.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис. 5.3 пока­заны эти схемы включения для р-n-р-транзистора. Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рис. 5.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источни­ков питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер-база U_ЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор-база U_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников пита­ния на рис. 5.5 и направления токов для p-n-p-транзистора. В случае n-p-n-транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, кото­рая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектиро­ванных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный пере­ход не создает потенциального барьера для подошедших носите­лей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. «Собира­тельная» способность этого перехода и обусловила название «коллектор». Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный – обратное U_ЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР) В этом случае транзистор «работает» в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, кото­рые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллектор­ном переходах являются прямыми одновременно, называют режи­мом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмит­тер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу, и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют ре­жимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают ма­лые токи.

Наглядно связь режимов БТ с включением переходов показа­на на рис. 5.4. Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов. В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источни­ков питания U_ЭБ и U_КБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напря­жением первого источника (U_ЭБ = – U_БЭ), а напряжение коллектор­ного перехода зависит от напряжений обоих источников и по обще­му правилу определения разности потенциалов. Так как U_ЭБ = – U_БЭ, то U_КБ = U_КБ – U_БЭ; при этом напряжение источ­ников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и от­рицательным – в другом случае. Всхеме включения с общим кол­лектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определя­ется одним источником: U_КБ = – U_БК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: U_ЭБ = U_ЭК + U_КБ = = U_ЭК – U_БК, при этом правило знаков прежнее.

Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рис. 5.5), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p-транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_эб. Поэтому прямой ток перехода

I_Э = I_Эp + I_Эn +I_Эрек (5.1)

где I_Эp, I_Эn – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а I_Эрек – составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера (см. §3.5.1).

Относительный вклад этой составляющей в ток перехода I_Э в (5.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие I_Эp и I_Эn. определяющие прямой ток в случае идеа­лизированного р-n-перехода. Если вклад I_Эрек незначителен, то вместо (5.1) можно записать

I_Э = I_Эp + I_Эn (5.2)

Полезным в сумме токов выражения (5.1) является только ток I_Эp, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. «Вредные» составляющие тока эмиттера I_Эn и I_Эрек протекают через вывод базы и являются составляющими тока ба­зы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты I_Эn, I_Эрек долж­ны быть уменьшены.

Эффективность работы змиттерного перехода учитывается ко­эффициентом инжекции эмиттера

(5.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составля­ет полезный компонент. В случае пренебрежения током I_Эрек

(5.4)

Коэффициент инжекции γ_Э тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение I_Эn / I_Эp. Величина I_Эn / I_Эp << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p-транзистора N_aЭ на несколько порядков выше концентрации доноров N_дБ в базе (N_aЭ >> N_дБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток I_Эp? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентра­ции дырок – неосновных носителей базы. Этот градиент обусловли­вает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться ре­комбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок I_{б рек}. Так что ток подхо­дящих к коллекторному переходу дырок

(5.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэф­фициентом переноса æ_Б:

æ_Б (5.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, ин­жектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному пере­ходу. Значение æ_Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжек­тированных дырок рекомбинирует с электронами – основными носи­телями базовой области. Ток I_Брек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покры­вается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней це­пи, то ток I_Брек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей I_Эn.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить æ_Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации до­норов N_дБ. Это совпадает с требованием N_aЭ >> N_дБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы W_б и диф­фузионной длины дырок в базовой области L_{p Б}. Доказано, что име­ется приближенное соотношение

æ_Б (5.7)

Например, при W_б/L_{p Б}= 0.1, æ_Б = 0.995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет ла­винного размножения проходящих через него носителей (см. § 3.5.3), то ток за коллекторным переходом с учетом (5.5)

I_Kp=I^*_Kp=I_Эр – I_Брек (5.8)

С учетом (5.6) и (5.3) получим

I_Kp= æ_Б I_Эр= γ _Э æ_Б I_Э = α I_Э (5.9)

где

α = γ _Э æ_Б = I_Kp/I_Э (5.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к пол­ному току эмиттера называют статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую I_КБ0. которая протекает в цепи коллектор-база при I_Э = 0 (холостой ход, «обрыв» цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехо­да, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллек­тора, как в обычном р-n-переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (5.8) и (5.10)

I_K = I_Kp + I_КБ0 = α I_Э + I_КБ0 (5.11)

Из (5.11) получим обычно используемое выражение для стати­ческого коэффициента передачи тока:

α = (I_K – I_КБ0)/I_Э (5.12)

числитель которого (I_К – I_КБ0) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, I_Kp. Обычно ра­бочие токи коллектора I_K значительно больше I_КБ0. поэтому

α ≈ I_K/I_Э (5.13)

С помощью рис. 5.5 можно представить ток базы через компоненты:

I_Б = I_{Э n} + I_{Э рек} + I_{Б рек} – I_КБ0 (5.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

I_Э = I_K + I_Б (5.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, I_K и I_Б принципиально меньше тока I_Э; при этом наименьшим является ток базы

I_Б = I_Э – I_K (5.16)

Используя (5.16) и (5.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

I_Б = (1 –α )I_Э – I_КБ0 (5.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (I_Э = 0, холостой ход), то I_Б = – I_КБ0. т.е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллектор­ного перехода. По значению I′_Э = I_КБ0 /(1–α) ток I_Б = 0, а при дальнейшем увеличении I_Э (I_Э > I′_Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (5.11) можно установить связь I_K с I_Б. Используя (5.11) и (5.15), получаем

(5.18)

где

(5.19)

– статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение α обычно близко к единице, то β может быть очень большим (β >> 1). Например, при α = 0.99, β = 99. Из (5.18) можно получить соотношение

β = (I_K – I_КБ0) / (I_Б + I_КБ0) (5.20)

Очевидно, что коэффициент β есть отношение управляемой (изме­няемой) части коллекторного тока (I_K – I_КБ0) к управляемой части ба­зового тока (I_Б + I_КБ0). Действительно, используя (5.14), получаем

I_Б + I_КБ0 = I_{Э n} + I_{Э р} + I_{Б рек}

Все составляющие последнего выражения зависят от I_Э и обращаются в нуль при I_Э =0. Введя обозначение

I_КЭ0 = I_КБ0/(1– α)=(β+1) I_КБ0 (5.21)

можно вместо (5.18) записать

(5.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения I_КЭ0: это зна­чение тока коллектора при нулевом токе базы (I_Б = 0) или при «обры­ве» базы. При I_Б = 0 I_K = I_Э, поэтому ток I_КЭ0 проходит через все обла­сти транзистора и является «сквозным» током, что и отражается ин­дексами «К» и «Э» (индекс «0» указывает на условие I_Б = 0).

Эффект Эрли

В реальном БТ изменение напряжений на переходах U_ЭБ и U_КБ вызывает изменение толщины обедненных слоев перехода и сме­щение границ базовой области, т.е. изменение ширины базовой области. Это явление называют эффектом Эрли. Особеннозаметноизменение ширины базы при подаче обратных напряжений на пере­ходы. В нормальном активном режиме, когда на эмиттерном перехо­де прямое напряжение, а на коллекторном обратное и сравнительно большое по величине, толщина коллекторного перехода значитель­но больше, чем эмиттерного, и влиянием смещения границы эмиттерного перехода можно пренебречь. Поэтому увеличение (по моду­лю) обратного напряжения U_КБ будет приводить к расширению коллекторного перехода и сужению базовой области.

К каким же последствиям может привести эффект Эрли? Для оп­ределенности рассмотрим увеличение обратного напряжения U_КБ, приводящее к уменьшению ширины базовой области W_Б.

1. Уменьшение W_Б вызовет рост градиента концентрации неос­новных носителей в базе и, следовательно, рост тока эмиттера. На рис. 5.7 увеличение модуля | U_КБ| от | U_КБ1| до | U_КБ1| при постоянном (заданном) напряжении U_ЭБ соответствует переходу от распределе­ния 1 к распределению 2. Так как θ_Э2 > θ_Э1 (увеличение градиента), то I_Э2 > I_Э1.

2. В ряде случаев при изменении U_КБ требуется сохранить ток эмиттера. Чтобы вернуть I_Э от значения I_{Э 2} к значению I_{Э 1}, необходимо уменьшить напряжение на эмиттерном переходе до зна­чения, при котором градиент вернется к исходному значению (θ_Э3 = θ_Э1), а распределение изобразится прямой 3 (A'C), параллель­ной прямой АБ.

3. Уменьшение W_Б приведет также к росту коэффициента пере­носа æ_Б в базе. В случае поддержания постоянства тока эмиттера это будет сопровождаться уменьшением тока базы I_Б. Однако мож­но доказать, что I_Б также уменьшится, но в меньшей мере, если I_Э не возвратится к исходному значению.

4. Увеличение коэффициента переноса при уменьшении W_Б оз­начает некоторый рост статических коэффициентов передачи α и β.

5. Рост α и I_Э при уменьшении W_Б приведет к увеличению колле­кторного тока (5.11): I_К = α I_Э + I_КБО. Так как α ≈ 1 и его рост относи­тельно мал, даже если он достигнет предельного значения (α = 1), то основное влияние окажет рост I_Э.

6. В ряде случаев требуется при уменьшении ширины базы из-за эффекта Эрли сохранять неизменным ток базы. Для компенсации произошедшего уменьшения I_Б необходимо дополнительно увели­чить I_Э (т.е. общий поток инжектированных в базу носителей) в соот­ветствии с формулой (5.17):

I_Б = (1 –α )I_Э – I_КБ0