Шкарин А. В, Подызбина Ю. В.ПетрГУ

2012

или полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи.

Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических

сигналов.

В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

В 1956 г. за изобретение транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948.

— полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов.

В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.

Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости.

По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный).

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора

Структура биполярного n-p-n транзистора. Ток через базу управляет током «коллектор-эмиттер».

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером.

На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — большая площадь p — n-перехода.

Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия.

Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей.

Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E (Э), базы B (Б)и коллектора C (К).

В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-

полупроводник, коллектор − n-полупроводник)

и PNP транзисторы.

К каждой из зон подведены проводящие контакты.

База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегирован- ного полупроводника, обладающего большим сопротивлением.

Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы

Э

Б

К

I

Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками).

Э

Б

К

I

Рекомбинация

Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора.

Э

Б

К

I

Рекомбинация

Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны, и проносит их в коллектор.

n-p-n транзистор

Э

Б

К

I

Рекомбинация

Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α≈ 0.9 ÷0.999.

Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток.

Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен

β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы,

можно управлять значительно большим током коллектора.

Нормальный активный режим:Переход эмиттер-база включен в прямом

направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)

UЭБ>0;UКБ<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид UЭБ<0;UКБ>0);

Инверсный активный режим:Эмиттерный переход имеет обратное

включение, а коллекторный переход — прямое.

Режим насыщения:Оба p-n перехода смещены в прямом

направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы

подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).

Режим отсечки:В данном режиме оба p-n перехода

прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты),

при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении.

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: Инжекция; Диффузия;Рекомбинация; и Экстракция;

Рассмотрим р-n переход эмиттер – база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок рn(х) по базе описывается следующим уравнением:

рn(х)= рn0 exp(βV G) exp(-x/Lp)

Схематически распределение инжектированных дырок рn(х) показано на рисунке:

Процесс переноса инжектированных носителей через базу – диффузионный.

Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения, – диффузионная длина Lp.

Поэтому если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp.

Условие W < Lp является необходимым для реализации транзисторного эффекта - управления током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.

В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе.

Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей.

Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток.

Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса: инжекция из эмиттера в базу; диффузия через базу; рекомбинация в базе; экстракция из базы в коллектор.

Эти процессы для одного типа носителей схематически показаны на рисунке:

Зонная диаграмма биполярного транзистора:а) в

равновесном состоянии;

б) в активном режиме

На рисунке а) показана зонная диаграмма биполярного транзистора в схеме с общей базой в условиях равновесия. Значками (+) и (-) на этой диаграмме указаны электроны и дырки.

Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном переходе – прямое напряжение, на коллекторном – обратное) является основным. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться транзистор в активном режиме, для p-n-р биполярного транзистора Uэ > 0, Uк < 0.

Для биполярного транзистора p-n-р типа в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, и через него происходит инжекция дырок, как неосновных носителей, в базу.

База должна иметь достаточно малую толщину W (W << Lp, где Lp – диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные в базу неосновные носители не успевали прорекомбинировать за время переноса через базу.

Коллекторный переход, нормально смещенный в обратном направлении, «собирает» инжектированные носители, прошедшие через слой базы.

Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах.

Для любого p-n перехода ток J определяется суммой электронного Jn и дырочного Jp компонент, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие:

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения Uэ > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу Iэр и электронов из базы в эмиттер Iэn.

Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок Iэр будет значительно превышать ток электронов Iэn.

коллектора и электрическим полем коллекторного p-n-р перехода будут переброшены в р-область коллектора.

Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу, и если ширинабазы W много меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до

Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером.

Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (Uк < 0,|Uк| >> 0): Iэ = Iк + Iб , где Iэ– ток в цепи эмиттера, Iк – ток в цепи

коллектора, Iб– ток на базовом выводе.В активном режиме к эмиттеру приложено прямое

напряжение и через переход течет эмиттерный ток Iэ, имеющий две компоненты: Iэ = Iэр + Iэn, где Iэр– ток инжекции дырок из эмиттера в

базу, Iэn – ток инжектированных электронов из базы в эмиттер.

Величина «полезной» дырочной компоненты равняется Iэp = γ·Iэ, где γ – эффективность эмиттера. Величина дырочного эмиттерного тока, без

рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γκIэ.

Ток базы Iб транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе Iэn = (1 – γ)·Iэ, рекомбинационный ток в базе (1 - κ)γIэ и тепловой ток коллектора Iк0.

Тепловой ток коллектора Iк0 имеет две составляющие:Iк0 = I0+ Ig , где I0 – тепловой ток, Ig – ток

генерации.