Ток через эмиттерный переход содержит электронную и дырочную составляющие:
I_Э= I_Э^n + I_Э^p
Дырочная составляющая замыкается через цепь базы и не участвует в управлении коллекторным током. Следовательно, для более эффективного управления этим током необходимо уменьшить долю дырочной составляющей тока эмиттера по сравнению с электронной.
Эффективность работы эмиттерного перехода оценивают коэффициентом инжекции, который характеризует долю электронной (полезной) составляющей в общем токе эмиттера:
\gamma = \displaystyle\frac {I_Э^n} {I_Э} = \displaystyle\frac {I_Э^n} {I_Э^n+I_Э^p}
Для повышения этого коэффициента концентрацию примесей (доноров) в области эмиттера делают намного больше концентрации примесей (акцепторов) в области базы. Коэффициент инжекции γ < 1, обычно составляет 0.99 – 0.999.
При движении в базе часть инжектированных электронов рекомбинирует, не доходя до коллекторного перехода. Влияние рекомбинации в базе на управляемую часть тока коллектора характеризуют коэффициентом переноса χ, который оценивает долю электронов, дошедших до коллекторного перехода IКn от числа электронов, инжектированных эмиттером IЭn:
\chi = \displaystyle\frac {I_К^n} {I_Э^n}
Разницу между электронными составляющими токов эмиттера и коллектора составляет ток рекомбинации Ir = IЭn — IКn, определяющий значение коэффициента переноса. Коэффициент переноса χ < 1. Обычно составляет 0.96 – 0.996.
Для повышения коэффициента переноса необходимо уменьшать вероятность рекомбинации носителей в базе.
В бездрейфовых транзисторах это достигается, в основном, за счет уменьшения толщины слоя базы и концентрации примесей в базе, в дрейфовых транзисторах – увеличением скорости их перемещения в ускоряющем электрическом поле.
Управляемые свойства биполярных транзисторов характеризуются интегральным коэффициентом передачи эмиттерного тока α:
\alpha = \displaystyle\frac {I_К^n} {I_Э} = \displaystyle\frac {I_К^n} {I_Э^n}\cdot \displaystyle\frac {I_Э^n} {I_Э} = \chi\cdot\gamma \lt 1
Способы приближения к 1 коэффициента α связаны с увеличением коэффициентов χ и γ за счет увеличения разности концентраций основных носителей в эмиттере и базе, уменьшения ширины базового слоя, увеличения времени жизни электронов в базе, а также создания ускоряющего поля в слое базы.
Полный ток в коллекторной цепи определяется как
I_K = I_{K0} + \alpha\cdot I_Э
где IK0 – обратный ток коллекторного перехода, создаваемый дрейфом неосновных носителей заряда из близлежащих областей обратно включенного
p–n-перехода, не зависит от IЭ. Значение тока IK0 приводится в справочниках как измеренное значение тока коллектора при IЭ = 0.
Ток в цепи базы представляет собой сумму трех составляющих (рис. 51):
- инжекционный ток (дырочная составляющая):
I_{Б1} = I_Э^p = I_Э-I_Э^n = I_Э-\gamma\cdot I_Э = (1-\gamma)\cdot I_Э ;
- рекомбинационный ток (создается дырками, поступающими по цепи базы и рекомбинирующими с электронами в базе)
I_{Б2} = I_r = I_Э^n-I_K^n = I_Э^n-\chi\cdot I_Э^n = (1-\chi)\cdot I_Э^n = (1-\chi)\cdot\gamma\cdot I_Э ;
- обратный ток коллекторного перехода: IБ3 = —IK0.
Полный ток в базовой цепи запишется в виде
I_Б = I_{Б1}+I_{Б2}+I_{Б3} =(1-\gamma)\cdot I_Э + (1-\chi)\cdot\gamma\cdot I_Э-I_{K0}
I_Б = (1-\alpha)\cdot I_Э-I_{K0} .
Включение переходов, когда коллектор инжектирует носители в базу, а эмиттер их собирает, называется инверсным включением.
Характеристики транзистора в нормальном и инверсном включении существенно отличаются, поскольку площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного перехода.
Особенности работы биполярного транзистора в области малых значений эмиттерного тока
В области малых токов эмиттера усилительные свойства транзистора меняются, поскольку рекомбинационная составляющая базового тока зависит от геометрических размеров базовой области, и ее величину в первом приближении можно считать постоянной.
При уровне эмиттерных токов близком к уровню рекомбинационной составляющей тока базы все инжектированные носители рекомбинируют в базе, и только когда эмиттерный ток начинает превышать указанное значение, появляется управляемая составляющая коллекторного тока и формируются управляемые свойства транзистора как полупроводникового элемента. Это обстоятельство обуславливает снижение интегральных коэффициентов биполярного транзистора в области малых значений тока эмиттера (базы).
Если эмиттерный ток существенно превышает рекомбинационную составляющую тока базы, то соотношения токов соответствуют рассмотренным выше уравнениям.