Биполярные транзисторы с инжекционным питанием

Биполярные транзисторы с инжекционным питанием были предложены в 1971 году, в результате развития интегральной технологии и не имеют аналогов дискретных транзисторов. Отличительной особенностью биполярных транзисторов с инжекционным питанием является наличие дополнительной области с электропроводностью того же типа, что и у базы транзистора. Эту область называют инжектором, а p₁–n₁ переход инжекторным.

В связи с этим, транзистор с инжекционным питанием представляет собой четырехслойную структуру (рис. 8.12,а), в которой соединены p₁–n₁–p₂ и n₂–p₂–n₁ транзисторы между собой (рис. 8.12,б).

Принцип действия транзистора с инжекционным питанием рассмотрим по схеме на рис. 8.12,а. Пусть на инжекторный переход подано прямое напряжение от источника питания Е. Последовательно включенный резистор R ограничивает напряжение и ток в инжекторном переходе. Тогда из области инжектора в область эмиттера инжектируются дырки, а из эмиттера в инжектор – электроны.

Для простоты понимания физических процессов, протекающих в транзисторе, принимаем одностороннюю инжекцию носителей. Учитываются только дырки, инжектированные в эмиттер. Рассмотрим работу транзистора, когда цепь база–эмиттер разомкнута.

В процессе инжекции дырок из инжектора в область эмиттера, в эмиттерной области у инжекторного p–n перехода создается избыточная концентрация дырок. А для сохранения электронейтральности области эмиттера, в эмиттер от внешнего источника поступают электроны. Избыточные электроны и дырки диффундируют вглубь эмиттера к эмиттерному переходу. Подойдя к эмиттерному n₁–p₂ переходу, дырки подхватываются полем перехода и перебрасываются в область базы, компенсируя частично заряд ионов акцепторной примеси. А электроны, подошедшие вместе с дырками к n₁–p₂ эмиттерному переходу компенсируют заряды положительно заряженных ионов донорной примеси. В результате этого снижается потенциальный барьер эмиттерного перехода, уменьшается сопротивление перехода, и переход смещается в прямом направлении. Это способствует перемещению дырок и электронов в область базы, что адекватно их инжекции из области эмиттера, а подойдя к p₂–n₂ коллекторному переходу смещают его в прямом направлении (таким же образом, как и эмиттерный переход).

В результате этого эмиттерный и коллекторный переходы транзистора n₁–p₂–n₂ смещены в прямом направлении, сопротивление транзистора и падение напряжения на нем малы. Транзистор работает в режиме, близком к режиму насыщения, и его можно рассматривать как замкнутый электронный ключ.

Если цепь базы соединить с помощью выключателя с цепью эмиттера, то напряжение на эмиттерном переходе станет равным нулю. Дырки, достигшие эмиттерного перехода, перебрасываются в базу и компенсируются электронами, поступающими из внешней среды. В результате этого к коллекторному переходу p₂–n₂ перестают поступать носители, и сопротивление этого перехода резко возрастает, коллекторный переход смещается в обратном направлении. Транзистор n₁–p₂–n₂ переходит в состояние, близкое к режиму отсечки, что соответствует разомкнутому электронному ключу. Роль выключателя может выполнять другой транзистор с инжекционным питанием, находящийся в режиме насыщения. Для осуществления режима переключения требуется ничтожно малая энергия 10^-12 Дж. Это позволяет представить транзистор на эквивалентной схеме обычным биполярным транзистором, между эмиттером и базой которого включен источник тока I_г (рис. 8.13), функцию которого выполняет инжектор. Величина тока генератора I_г определяется количеством дырок, инжектируемых через инжекторный переход и поступающих в базу p₂.

Выходные характеристики транзистора с инжекционным питанием представлены на рис. 8.14. Если цепь базы разомкнута (I_б=0), то максимальный ток внешнего источника напряжения меньше или равен I_{к нас}. При замкнутой цепи база–эмиттер транзистор работает в режиме, близком к отсечке, и через транзистор протекает обратный ток, мало зависящий от приложенного напряжения. Данные транзисторы являются основой для создания логических микросхем с инжекционным питанием (И²Л), могут нормально работать при значительных изменениях напряжения и тока питания. А также в широком диапазоне температур: от –60° до +125°C. Логические микросхемы с инжекционным питанием широко применяются при создании больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).