Общие сведения. Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор был изобретен специалистами фирмы Bell Laboratories в 1947г. Плоскостной транзистор разработан американским физиком В.Шокли в 1949-50г. Транзистор может выполнить усилительные и ключевые функции и представляет собой универсальный элемент электронных схем.

Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные). Физические процессы в биполярных транзисторах определяются движением основных и не основных носителей.В полевых транзисторах используется движение только носителей одного знака.

2.1. Устройство и принцип действия биполярных

транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух, встречновключенных взаимодействующих между собой p-n-переходов, которые расположены на расстоянии, меньшем диффузионной длины носителей.

Транзистор состоит из трех полупроводниковых областей с чередующимися типами проводимости. Различают два типа биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p (рис. 2.1-2.4).

Полупроводниковые области с различным типом проводимости называются соответственно эмиттером, базой, коллектором. Они разделены двумя взаимодействующими p-n-переходами эмиттерным-1 и коллекторным-2 (рис. 2.1). К областям эмиттера, базы и коллектора создаются омические контакты и внешние выводы.

Принцип действия транзисторов n-p-n и p-n-p типов одинаков. Рассмотрим работу транзисторов на примере транзистора n-p-n типа, воспользовавшись одномерной моделью, в которой p-n-переходы считаются плоскими, а носители движутся только в одном направлении.

Рассмотрим энергетическую диаграмму транзистора n-p-n типа в состоянии равновесия. Рис. 2.5 уровень Ферми одинаков для всех областей структуры. В p-n-переходе эмиттер-база образуется потенциальный барьер qU_к1, а в p-n-переходе база-коллектор qU_к2. Энергетические зоны в базе искривлены, так как в большенстве случаев концентрация акцепторов у границы базы с эмиттерным переходом выше, чем у границы с коллекторным. В результате появляется внутреннее поле в базе, ускоряющее электроны движущиеся из эмиттера в коллектор.

На рис. 2.5,б показана зонная диаграмма n-p-n транзистора в активном режиме. Схема включения транзистора приведена на рис. 2.6. На переход эмиттер-база подается прямое смещение, а на переход база-коллектор - обратное.

Потенциальный барьер перехода эмиттер-база снижается на значение прямого напряжения и становится равным q(U_K1-U_ЭБ). При этом электроны

инжектируются из эмиттера в базу. Для обеспечения максимальной односторонней инжекции электронов в базу, концентрацию доноров в эмиттере делают значительно больше концентрации акцепторов в базе N_ДЭ>>N_АБ.

Электроны инжектированные в базу двигаются к коллектору в результате диффузии и дрейфа.

Диффузия связана с повышением концентрации электронов в базе у эмиттерного перехода, тогда как у коллекторного перехода концентрация электронов уменьшается вследствии затягивания их полем в p-n-переход база-коллектор.

Поскольку толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной электронов, то практически все электроны доходят до коллекторного перехода и лишь незначительное их количество рекомбинирует. Коллектор собирает электроны инжектированные в базу.

В активном режиме:

I_Э=I_Б+I_К, (2.1.1)

I_К@I_Э>>I_Б. (2.1.2)

Коллекторный ток почти не зависит от напряжения на коллекторе, так как при любом обратном напряжении все электроны достигающие в базе перехода база-коллектор, попадают в его ускоряющее поле и уходят в коллектор. Дифференциальное сопротивление обратно-включенного коллекторного перехода велико.

r_kдиф=. (2.1.3)

В коллекторную цепь можно включить достаточно большой резистор R_Н (рис. 2.6) и коллекторный ток при этом существенно не изменится. Дифференциальное сопротивление перехода эмиттер-база, включенного в прямом направлении мало.

Если эмиттерный ток изменится на I_Э, то приблизительно на столько же возрастет и коллекторный ток

DI_Э=DI_K. (2.1.4)

Изменение мощности, потребляемой в эмиттерной цепи будет много меньше мощности, выделяемой в нагрузке.

P_вх=DI_Э×U_ЭБ=Dr_Э, (2.1.5)

Р_вых=DI_K×U_KБ=DR_H. (2.1.6)

При R_H>r_Э наблюдается усиление мощности сигнала Р_вых>Р_ВХ. (2.1.7)

В n-p-n транзисторе главными рабочими носителями, образующими токи через p-n-переходы являются электроны. Ток базы обусловлен дырками, компенсирующими избыточный заряд электронов базы. Дырки рекомбинируют с электронами в базе, а так же инжектируются из базы в эмиттер. Принцип работы p-n-p транзистора аналогичен работе n-p-n транзистора.

Транзисторы с неоднородным распределением примеси в базе называются дрейфовыми, так как при этом в базе существует ускоряющее поле.

Транзисторы с однородной базой называются диффузионными.

Дата добавления: 2014-01-07