Физические процессы и токи в транзисторе

Биполярный транзистор – это прибор с двумя р-n-переходами и тремя выводами (рис. 4.1). Возможны две структуры транзистора: р–n–p и n–p–n.  Транзистор, выполненный по структуре p-n-p, называют транзисто­ром прямой проводимости, а со структурой n-p-n-обратной.

Средняя область и вывод от нее называются базой. Один из крайних выводов и соответствующая область называется эмиттером, а другая – коллектором. Если оба перехода симметричны, то коллектор и эмиттер можно поменять местами. Но, как правило, конструкция транзистора не­симметрична, и инверсное включение дает худшие характеристики. Кол­лектор имеет обычно большую площадь, чем эмиттер (рис. 4.2).
На рис. 4.3 приведено обозначение на схемах транзисторов р-n-p и  n-p-n.

  

 Рис. 4.2                                                 Рис. 4.3

Процессы в транзисторах p-n-p и n-p-n аналогичны. Поэтому рассмотрим только один. Возможны четыре режима работы транзистора

1. Активный режим: эмиттерный переход открыт, коллекторный – за­крыт.
2. Режим насыщения: оба перехода открыты.
3. Режим отсечки: оба перехода закрыты.
4. Инверсный активный режим: коллекторный переход открыт, эмит­терный закрыт.

Во всех аналоговых устройствах транзистор используется в активном режиме. Другие режимы транзистора характерны для импульсных устройств.

Рассмотрим токи через транзистор со структурой p-n-p в активном режиме. Для транзистора структуры n-p-n полярность напряжений на электродах должна быть противоположной. Ток через открытый эмиттер­ный переход равен сумме электронного и дырочного

 

I_э=I_n+I_p= (I_no+I_po)(e^_Uэ/φ_т-1)                      (4.1)

 

где I_no и  I_po – компоненты обратного тока; Uэ – напряжение на эмиттере относительно базы; φ_т – температурный потенциал.

Реальные транзисторы выполняются так, что концентрация основных носителей р-областей существенно выше, чем в n-области, т. е. p_p>> n_n, p_n>> n_p ( переходы несимметричны). Тогда

 

I_э=I_po(e^_Uэ/φ_т-1)       .                                            (4.2)

 

Итак, из эмиттера в базу инжектируются дырки, а из базы в эмиттер – электроны. Для поддержания постоянства концентрации электронов в базе они должны поступать в нее через вывод базы от источника E_э. Сле­довательно, электронная компонента эмиттерного тока протекает через вывод базы. Чтобы она была возможно меньшей, эмиттерный переход вы­полняют несимметричным: степень легирования примесями базы значи­тельно ниже, чем эмиттера. Следует иметь в виду, что направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных носите­лей (дырок) и противоположно направлению движения отрицательно за­ряженных носителей (электронов).

Для оценки соотношения электронного и дырочного токов вводится ко­эффициент инжекции  γ , который характеризует эффективность эмиттера

.                                       (4.3)

\(\gamma =\frac{I_{p}}{I_{n}+I_{p}}\approx 1-\frac{I_{n}}{I_{p}}\)

Так как I_n<< I_p, то   γ близко к 1. На рис. 4.4 показана инжекционная компо­нента базового тока I_э(1- γ).

Рис. 4.4

При ширине базы w, меньшей чем диффузионная длина L, часть нерав­новесных носителей, образующих ток левого перехода, достигнет правого перехода и будет подхвачена полем E_k . При w «L практически все неравновесные носители перейдут в правую область. Только малая часть носителей успеет рекомбинировать на расстоянии w. За счёт реком­бинации дырок, инжектированных из эмиттера, с электронами – основ­ными носителями в базе – происходит уменьшение концентрации электро­нов в базе они поступают в неё от источника E_э , образуя рекомбинацион­ную компоненту базового тока (1-х)γI_э (рис. 4.4).

Коэффициент переноса x показывает, какая часть инжектированных ле­вым переходом неравновесных носителей достигнет правой P-об­ласти. Теория даёт следующее выражение для x

\(x\approx 1-\frac{1}{2}(\frac{\omega }{L})^{2}\)

.                                         (4.4)

 

Итак, ток правого перехода может управляться током левого перехода. Как коэффициент инжекции, так и коэффициент переноса являются внут­ренними параметрами транзистора. Гораздо удобнее пользоваться коэф­фициентом передачи по току α=γχ, который можно определить по значе­ниям токов через выводы транзисторов. Таким образом, ток коллектора является частью тока эмиттера и в широких пределах не зависит от E_k.

Через коллекторный переход протекает, кроме того, ток закрытого кол­лекторного перехода I_ko. Так как p_n>> n_p, то обратный ток через коллектор­ный переход имеет преимущественно дырочный характер. Величина его определяется свойствами  материала, температурой и геометрией
р-n-перехода. Для данного полупроводника и фиксированной температуры при E_k <U пробоя  значение обратного тока мало зависит от напряжения, при­ложенного к переходу. Таким образом, для активного режима транзи­стора справедливы следующие соотношения для токов:

I_k=α I_э + I_ko                                          ,                                             (4.5)

I_э= I_k+ I_б                                          .                                               (4.6)

 

Ток базы состоит из трёх составляющих:

• инжекционная (1-γ)I_э ;
• рекомбинационная (1-х)γI_э;
• обратный ток коллекторного перехода I_kо.

Он может иметь положительное или отрицательное значение в зави­симости от соотношения I_kо между  и другими составляющими.

Так как площади переходов не одинаковы (для увеличения коэффици­ента переноса площади эмиттерного перехода), то коэффициенты γ,x,α  изменяются при перемене местами коллектора и эмиттера.

Полупроводниковый материал базовой области (наиболее высокоом­ный) имеет некоторое омическое сопротивление. Поэтому действительные напряжения, приложенные к эмиттерному и коллекторному переходам, от­личаются от напряжений  E_э и E_к на величину I_бr_б.