Биполярные транзисторы. Принцип действия • ТЕХНИЧЕСКАЯ ШКОЛА

Биполярные транзисторы представляют собой трехслойные трехэлектродные полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими p–n переходами. Два p–n перехода реализуются в трехслойной полупроводниковой структуре с чередующимся типом электропроводности. Таким образом, в зависимости от последовательности чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n.

Средняя область трехслойной структуры является основанием – базой и имеет тип электропроводности, противоположный крайним областям. Одна из крайних областей, инжектирующая носители в базу, называется эмиттером, другая, собирающая их из базы, – коллектором. В n-p-n транзисторе в базу инжектируются электроны, а в транзисторе p-n-p – дырки.

Переходы, отделяющие области базы от эмиттера и коллектора, получили соответственно названия эмиттерного (ЭП) и коллекторного (КП). Стрелка на выводе эмиттера в условном графическом обозначении транзистора показывает проводящее направление эмиттерного p–n перехода и однозначно определяет тип биполярного транзистора.

Функция эмиттерного перехода – инжектирование (эмиттирование) носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода – сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой, поэтому площадь коллекторного перехода обычно намного больше площади эмиттерного перехода, а электроды эмиттер и коллектор не взаимозаменяемы по эксплуатационным функциям биполярного транзистора.

Взаимодействие переходов в процессе работы биполярных транзисторов может возникать в случае, если геометрическая толщина базовой области сравнима с диффузионной длиной подвижного носителя (если база тонкая). Исходным материалом для создания примесных полупроводников может служить германий или кремний, что также предопределяет классификационный признак биполярного транзистора (кремниевый транзистор, германиевый транзистор) и влияет на эксплуатационные параметры.

Механизм работы транзисторы рассмотрим на примере анализа n-p-n структуры. В отсутствие внешних напряжений на границах раздела трех слоев образуются объемные заряды, создается внутреннее электрическое поле, и между слоями действует внутренняя разность потенциалов.База транзистора слабо легирована, поэтому концентрация основных носителей заряда в базе намного меньше концентрации основных носителей заряда в эмиттере, т.е. p_p₀ « n_n₀.

Концентрация основных носителей в коллекторе близка к концентрации основных носителей эмиттера, но несколько меньше ее. В равновесном состоянии токи через оба перехода равны нулю. Каждый из перехода транзистора источником внешнего напряжения может быть смещен в прямом или обратном направлении, чему соответствуют четыре возможных режима работы транзистора, представленных в таблице

№	Режим	Смещение ЭП	Смещение КП
1	активный	прямое	обратное
2	отсечка	обратное	обратное
3	насыщение	прямое	прямое
4	инверсный	обратное	прямое

Основным усилительным режимом работы биполярного транзистора является активный режим, в котором реализуются основные свойства транзистора как полупроводникового элемента. При работе в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном направлении. Такое включение транзистора называют нормальным включением (нормальный активный режим). При этом эмиттер инжектирует носители в базу, а коллектор собирает их. В зависимости от характера перемещения носителей через базу различают дрейфовые и бездрейфовые транзисторы. В бездрейфовых транзисторах характер перемещения носителей, в основном, диффузионный. В дрейфовых транзисторах в базе специальными способами (за счет разной концентрации примесей по толщине базы) создается электрическое поле, и перемещение носителей идет, в основном, под действием сил этого поля. Рассмотрим работу бездрейфового плоскостного транзистора типа n-p-n с некоторой идеализацией протекающих в нем процессов.

№	Режим	Смещение ЭП	Смещение КП
1	активный	прямое	обратное
2	отсечка	обратное	обратное
3	насыщение	прямое	прямое
4	инверсный	обратное	прямое

Эти носители будут диффундировать в области с меньшей концентрацией, т.е. в сторону коллекторного перехода. На расстоянии диффузионной длины n_p убывает в e раз.

Если толщина слоя базы значительно больше диффузионной длины, то практически все электроны, инжектированные из эмиттера, рекомбинируют в базе, не доходя до коллекторного перехода.

К коллекторному переходу приложено обратное напряжение U_КБ, и

∆φ_К = ∆φ₀ + U_КБ.

Через коллекторный переход будет протекать обратный ток, образованный неосновными носителями заряда I_ОБР.

Следовательно, эмиттерный и коллекторный переходы в таком случае не взаимодействуют, т.е. изменение тока I_Э практически не сказывается на токе I_К.

Если толщина базы меньше диффузионной длины электронов в ней, то основная часть инжектированных электронов дойдет до коллекторного перехода, подхватится полем этого перехода и пройдет через коллекторный переход, поскольку потенциальный барьер коллекторного перехода не препятствует продвижению через него неосновных носителей.

Чем меньше толщина базы, тем меньшее количество электронов рекомбинирует в ее объеме с дырками и тем большее количество электронов достигнет коллекторного перехода. При этом ток через коллекторный переход увеличится на величину тока, пришедшего из эмиттера.

Таким образом, в цепи коллектора появится составляющая тока, величина которой определяется электронной составляющей эмиттерного тока.

Результирующий ток в цепи коллектора представляет собой сумму обратного тока коллекторного перехода и управляемого тока, обусловленного инжекцией электронов из эмиттера.

Следовательно, в отличие от униполярных транзисторов, управляемых напряжением I_С= f(U_ЗИ), биполярные транзисторы управляются током
I_K = f(I_Э).