Полупроводниковые транзисторы

3.1. Биполярные транзисторы: устройство и принцип действия

Биполярным транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой р-п перехода. Он представляет собой трехслойный полупроводниковый монокристалл с чередующимся типом электропроводности. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают п-р-п -транзисторы и р-п-р -транзисторы.

Области транзистора с одинаковой электропроводностью имеют различную концентрацию примесей. Центральную часть монокристалла называют базой (Б), область с высокой концентрацией примеси называют эмиттером (Э), область с низкой концентрацией примеси называют коллектором (К). Между базой и эмиттером существует эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором – коллекторный переход (КП). Взаимодействие между переходами будет существовать в том случае, если толщина базы много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда.

На рис.2.1 приведена упрощенная структура п-р-п - транзистора, его условное обозначение и схема замещения.

Упрощенная структура, условное обозначение и схема замещения р-п-р- транзистора приведены на рис. 2.2.

Биполярный транзистор является активным прибором, позволяющим осуществлять усиление электрических сигналов. В конкретных электронных схемах он включается как четырехполюсник, у которого имеются входная и выходная цепи. При этом один из электродов транзистора является общим. Возможны три схемы включения транзисторов: схема с общей базой (рис.2.3,а), схема с общим эмиттером (рис. 2.3,б), схема с общим коллектором (рис.2.3,в).

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимости от приложенных к его переходам напряжений.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам, различают четыре режима работы транзистора:

- активный (линейный, усилительный), при этом эмиттерный переход открыт, коллекторный переход закрыт;

- инверсный, эмиттерный переход закрыт, коллекторный - открыт;

- насыщения, оба перехода открыты;

- отсечки, оба перехода закрыты.

Рассмотрим принцип действия транзистора в активном режиме на примере п-р-п транзистора, включенного по схеме с общей базой (рис.2.4).

Рассмотрим работу транзистора без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений.

В равновесном состоянии контактная разность потенциалов коллекторного перехода меньше, чем эмиттерного , поскольку концентрация примесей в эмиттере больше, чем в коллекторе. При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения потенциальный барьер в нем снижается на величину приложенного напряжения u_эб, а при подаче на коллекторный переход обратного напряжения потенциальный барьер в нем повышается на величину u_кб.

Напряжения между электродами транзистора связаны зависимостью

.

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда u_эб << u_кб , следовательно, u_кэ ≈ u_кб.

Через низкий потенциальный барьер в эмиттерном переходе электроны переходят в базу (поток 1), диффундируют через нее, достигают коллекторного перехода, попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода и переносятся этим полем в область коллектора. Перемещаясь через базу, часть электронов рекомбинирует с дырками.

Помимо основного потока 1 в транзисторе существуют побочные потоки носителей заряда. Поток 3 обусловлен перемещением дырок из базы в коллектор, потоки 6 и 8, образованные неосновными носителями заряда создают тепловой (обратный) ток коллекторного перехода. Полезную функцию в транзисторе выполняет только поток 1’, протекающий через оба р-п перехода и образующий ток связи I_эк, который имеет одно и то же численное значение как в цепи эмиттера, так и в цепи коллектора. Величиной тока связи можно управлять, изменяя напряжение на эмиттерном переходе. Именно этот ток является полезным, все остальные токи являются бесполезными и даже вредными и должны быть сведены к минимуму.

Ток эмиттера создается потоками 1 и 3 , где - электронная составляющая тока, - дырочная составляющая. Электронная составляющая тока эмиттера является полезной, дырочная – побочной. Доля электронной составляющей тока оценивается эффективностью эмиттера γ

.

Чтобы повысить эффективность эмиттера, необходимо уменьшить дырочную составляющую тока, что достигается уменьшением концентрации примеси в базе и увеличением ее концентрации в эмиттере.

В базе поток электронов разделяется на две части: первая достигает коллекторного перехода, вторая рекомбинирует с дырками. Долю электронов, инжектированных в базу и достигших коллектора, оценивают коэффициентом переноса

.

Чтобы увеличить коэффициент переноса, необходимо уменьшить ширину базы и концентрацию примесей в ней.

Ток коллектора создается электронами, покинувшими эмиттер и достигшими коллектора (поток 1’), а также неосновными носителями заряда (потоки 6 и 8). Ток, создаваемый потоками 6 и 8, обозначают I _КБ0. Индекс несет в себе тройную информацию: К – ток коллектора, Б – схема с общей базой, 0 – в цепи третьего электрода (эмиттера) ток равен нулю. Таким образом,

.

Последнее соотношение является основным для транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Здесь α – коэффициент передачи тока эмиттера. Он характеризует полезный эффект в транзисторе и связывает между собой входной и выходной токи

.

Его называют еще нормальным или интегральным коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток базы в схеме с общей базой является результатом побочных эффектов: рекомбинацией, перемещением дырок из базы в эмиттер, перемещением неосновных носителей (потоки 6 и 8).

Три тока транзистора связаны соотношением

.

Тогда

Для схемы с общим эмиттером входным является ток базы, тогда ток коллектора можно определить выражением

.

Здесь β – коэффициент передачи тока базы.

Полученное соотношение выражает выходной ток (i_к) транзистора через входной ток (i_б) в схеме с общим эмиттером. I_{КЭ 0} – ток, протекающий в цепи коллектора в схеме с общим эмиттером при оборванной цепи базы. Ток I_{КЭ 0} примерно в 100 раз превышает ток I_{КБ 0}

Режим насыщения. Для перехода из активного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме с общим эмиттером, когда в коллекторную цепь включено сопротивление нагрузки. В этом случае увеличение тока базы приведет к увеличению тока коллектора, в результате увеличится падение напряжения на нагрузке и уменьшится напряжение на коллекторе u_кэ. Условием насыщения транзистора является равенство нулю напряжения коллектор-база

.

При глубоком насыщении транзистора u_кэ >0. Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы транзистора в насыщенном режиме к току базы в граничном режиме

.

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей заряда, которые задерживают выключение транзистора. Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером достаточно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором падает небольшое напряжение.

Режим отсечки. Привести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным условием при этом является равенство нулю напряжения между базой и эмиттером u_бэ = 0. в режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом.

Инверсный режим. В этом режиме к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. В этом случае коллектор и эмиттер меняются местами. Если транзистор несимметричен, то в инверсном режиме усиление транзистора падает. Чаще для работы в инверсном режиме применяются симметричные транзисторы, в которых области эмиттера и коллектора имеют одинаковые свойства и геометрические размеры.

Дата добавления: 2014-01-06