Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые способны усиливать электрическую мощность. В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей заряда. Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда (электронов и дырок) в работе транзистора: инжекция неосновных носителей сопровождается компенсацией их заряда основными носителями.

Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p-n -переходов. Взаимодействие двух p-n -переходов обеспечивается тем, что они расположены близко друг к другу – значительно меньше диффузионной длины носителей заряда. Транзисторы бывают двух типов: n-p-n и p-n-p в зависимости от порядка чередования слоев с разным типом проводимости (рис. 1)

Рис.1. Структура и условные обозначения биполярных транзисторов.

Одна из крайних областей называется эмиттером, другая – коллектором, промежуточную область называют базой. Эмиттер предназначен для инжекции носителей в базу, это наиболее сильно легированная область. Назначение коллектора – экстракция инжектированных носителей из базы. Электронно-дырочный переход (p-n-переход) между эмиттером и базой называется эмиттерным, между коллектором и базой – коллекторным. В реальном транзисторе площадь коллектора больше, чем эмиттера, и транзистор, кроме активной области, ограниченной площадью сечения эмиттера, имеет также пассивные области (рис. 2). Структуры на рис.1 отображают лишь активную область транзистора.

При нормальном включении транзистора (рис.2) на эмиттерный переход действует прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. При этом дырки инжектируются из эмиттера в базу, благодаря малой толщине базы основная часть инжектируемых носителей пролетает сквозь базу до коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с электронами. Коллекторный переход открыт для дырок, инжектированных в базу, и они беспрепятственно проходят в коллектор. Таким образом, при нормальном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители заряда. На рис. 2 токи, переносимые дырками, показаны прозрачными стрелками, электронные токи – темными.

Коллекторный ток I_к пропорционален величине эмиттерного тока I_Э:

I_К = α I_Э+ I_КБО, (1)

где α – коэффициент передачи тока эмиттера.

В цепи коллектора протекает также обратный ток коллектора, I_КБО. Как и в полупроводниковом диоде, обратный ток I _КБО имеет три составляющие.

I_КБО =I_К0+I_КТ+I_КУ,,

где I_КО – ток экстракции (ток неосновных носителей заряда);

I_КТ – термоток (ток генерации электронно-дырочных пар в p-n-переходе);

I_КУ – ток утечки (поверхностный ток).

Токи электродов по закону Кирхгоффа связаны соотношением:

I_Э =I_К+I_Б. (2)

Эмиттерный и коллекторный токи почти одинаковы, их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода очень велико. В то же время дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении, очень мало поэтому в цепь коллектора можно включить нагрузку с большим сопротивлением без существенного уменьшения коллекторного тока. Поэтому мощность, создаваемая переменной составляющей тока коллектора в нагрузке может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т. е. транзистор, обладает усилительными свойствами.