Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор — это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами. Он пред­ставляет собой трехслойный полупроводниковый монокристалл с чередующим­ся типом электропроводности. Существуют и-р-и-структуры и p-n-р-структуры. Центральную часть монокристалла называют базой (Б). С одной стороны к базе примыкает область с высокой концентрацией примеси, называемая эмитте­ром (Э), с другой — область с низкой концентрацией примеси, называемая кол­лектором (К). Между базой и эмиттером существует эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором — коллекторный переход (КП). Взаимодействие между переходами будет существовать, если толщина базы много меньше диффузион­ной длины неосновных носителей заряда.

На рис. 4.1, я показана структура кремниевого монокристалла, изготовленного по эпитаксиально-планарной технологии, которая характерна для большинства со­временных транзисторов. На сильнолегировапной подложке 1 n⁺-типа методом эпитаксии сформирован слаболегированный слой 2 n-типа толщиной около 10 мкм, в котором методом локальной диффузии созданы слой базы 3 с дырочной элект­ропроводностью и слой эмиттера 4 n⁺-типа. Толщина базового слоя составляет около 1 мкм. На поверхности кристалла расположен защитный слой диоксида кремния SiO₂ толщиной порядка 1 мкм, через отверстия в котором осуществлены металлические выводы от эмиттера и базы. Тонкая база имеет значительную про­тяженность в горизонтальном направлении, поэтому она обладает сравнительно большим сопротивлением r '₆. Чтобы снизить это сопротивление, от базы делают два вывода, которые соединяют вместе.

Основные физические процессы в такой структуре протекают под эмиттером. Эту область называют активной. Остальная часть структуры является пассивной, не оказывающей существенного влияния на работу транзистора. Поэтому в даль­нейшем мы будем рассматривать упрощенную модель транзистора, показанную на рис. 4.1, б. На рис. 4.1, в представлено схематичное изображение транзисторов.

Режимы работы

Каждый из p-n -переходов транзистора может находиться либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Поэтому возможны четыре режима работы (табл. 4.1).

Таблица 4.1 Режимы работы транзистора

Режим	ЭП	КП	Потоки
ЭП	КП
Активный	Открыт	Закрыт	1,3	6,8
Инверсный	Закрыт	Открыт	2,4	5,7
Насыщения	Открыт	Открыт	1,3	2,4
Отсечки	Закрыт	Закрыт	5,7	6,8
Аварийный	Разрыв	Пробой	-	2¸8

В зависимости от режима работы в транзисторе существуют определенные пото­ки носителей заряда (рис. 4.2).

Через открытые переходы протекают основные носители заряда (они обозначе­ны стрелками и цифрами от 1 до 4), через закрытые переходы — потоки не­основных носителей заряда (они обозначены пунктирными стрелками и цифра­ми от 5 до 8). Всего, анализируя работу транзистора в различных режимах, следует учитывать восемь потоков носителей заряда.

Схемы включения

Биполярный транзистор является активным прибором, позволяющим осуществ­лять усиление электрических сигналов. В конкретных электронных схемах он включается как четырехполюсник, у которого имеются входная и выходная цепи. Один из электродов транзистора является общим. Возможны три схемы включе­ния: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК), — показанные, соответственно, на рис. 4.3 а, б ив.

Для обозначения напряжений, подаваемых на электроды транзистора, использу­ют двойные индексы. Первый индекс идентифицирует электрод, на который по­дается напряжение, измеряемое относительно общего электрода, обозначаемого вторым индексом. Например, u_кэ — напряжение между коллектором и эмиттером, и_к6 — напряжение между коллектором и базой и т. д. На рис. 4.3 показана поляр- ность напряжений, соответствующая активному режиму работы транзистора, и направления токов в этом режиме (для транзисторов типа р-п-р полярность на­пряжений и направления токов противоположны).

Принцип действия

Для того чтобы понять принцип действия транзистора, рассмотрим его упро­щенную модель (рис. 4.4, а) и распределение потенциала в ней, соответствующее активному режиму работы (рис. 4.4, 6), Через φ_ко.э и φ_ко.к на ней обозначены по­тенциальные барьеры, соответственно, эмиттерного и коллекторного переходов. Концентрация примеси в эмиттере больше, чем в коллекторе, поэтому φ_ко.к < φ_ко.э. При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения потенциальный барьер в нем снижается на величину приложенного напряжения u_эб, а при подаче на коллекторный переход обратного напряжения потенциальный барьер в нем по­вышается на величину u_кб.

Через низкий потенциальный барьер в эмиттерном переходе электроны перехо­дят в базу (поток 1), диффундируют через нее, достигают коллекторного перехо­да, попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода и переносятся этим по­лем в область коллектора. Перемещаясь через базу, часть электронов встречается с дырками и рекомбияирует с ними, в результате чего поток 1 разделяется на две части — поток 1’ и поток 1’’.

Помимо основного потока 1 в транзисторе существуют побочные потоки носите­лей заряда. Поток 3 образован перемещением дырок из базы в эмиттер. Потоки 6 и 8, образованные неосновными носителями заряда, создают тепловой ток коллек­торного перехода. Полезную функцию в транзисторе выполняет только поток 1’, протекающий через оба p-n-перехода транзистора иобразующий ток связи I_ЭК, который имеет одно и то же численное значение как в цепи эмиттера, так и в цепи коллектора. Величиной тока связи можно управлять, изменяя напряжение на эмиттерномпереходе. Наличие тока связи позволяет применять транзистор для усиления электрических сигналов. Все остальные потоки являются бесполезны­ми и должны быть сведены к минимуму. С этой целью концентрацию примеси в эмиттере увеличивают по сравнению с концентрацией примеси в базе при­мерно на два порядка (N_dэ = 10²⁰ см^-3, N_аб = 10¹⁸ см^-3), а базу делают очень узкой (W_б = 1 мкм) с тем, чтобы уменьшить рекомбинацию. В некоторых случаях при­месь в базе распределяют неравномерно, благодаря чему в базе возникает внут­реннее электрическое поле, поэтому электроны быстрее перемещаются через базу и рекомбинация в ней уменьшается. Концентрация примеси в коллекторе, как правило, ниже, чем в эмиттере, благодаря этому коллекторный переход получает­ся более широким, что позволяет подавать на него высокое обратное напряжение и тем самым улучшить усилительные свойства транзистора.

Из рассмотренного следует, что, изменяя прямое напряжение на эмиттерном пе­реходе, можно изменять ток через коллекторный переход при постоянстве обрат­ного напряжения на этом переходе. Это равнозначно изменению сопротивления коллекторного перехода, то есть в транзисторе в результате поступления элект­ронов из эмиттера в коллекторный переход происходит преобразование сопро­тивления коллекторного перехода (transfer of resistor). При переводе транзистора в режим отсечки поступление электронов в коллекторный переход прекращает­ся, и сопротивление перехода оказывается очень высоким, через него перемеща­ются только потоки 6 и 8, создающие весьма незначительный ток в коллекторной цепи. Если транзистор переведен в режим насыщения, то концентрация под­вижных носителей заряда в коллекторном переходе увеличивается и его со­противление резко уменьшается. Таким образом, переводя транзистор из режима насыщения в режим отсечки, можно использовать транзистор в качестве электронного ключа, замыкающего и размыкающего электрическую цепь.

Способность транзистора усиливать мощность электрических сигналов проявля­ется только в активном режиме. Если в этом режиме в цепь эмиттера последова­тельно с источником постоянного напряжения включить источник переменного напряжения с амплитудой U_эm, то ток связи будет изменяться с амплитудой I_эm и от источника переменного напряжения будет потребляться мощность , где r_э — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. При наличиив коллекторной цепи резистора нагрузки R_Н ток связи выделит в нем мощность

Эта мощность в раз больше мощности, потребленной от источника пере­менного напряжения во входной цепи, то есть транзистор обладает усилительным эффектом. Этот усилительный эффект обусловлен тем, что, затрачивая небольшую мощность на изменение сопротивления коллекторного перехода, можно управлять током, потребляемым от источника постоянного тока, включенного в коллектор­ную цепь, и преобразовывать мощность источника постоянного тока в мощность переменного тока, выделяемую в резисторе нагрузки, включенном в коллектор­ную цепь.

Соотношения между токами

Как и прежде, будем рассматривать плоскую модель транзистора (см. рис. 4.4, а), учтем наличие потоков основных носителей заряда 1 и 3 и потоков неосновных носителей заряда 6 и 8.

Ток эмиттера создается потоками 1 и 3:

где i₁ = i.эn — электронная составляющая;

i =iэ_P — дырочная составляющая.

Электронная составляющая тока эмиттера является полезной, а дырочная — по­бочной. Долю электронной составляющей тока эмиттера оценивают эффектив­ностью эмиттера

(4.1)

Чтобы повысить эффективность эмиттера, необходимо уменьшить дырочную со­ставляющую тока, что достигается уменьшением концентрации примеси в базе и увеличением ее концентрации в эмиттере.

В базе поток 1 разделяется на две части. Поток 1' достигает коллекторного пере­хода, а поток 1" рекомбинирует с дырками. Долю электронов, инжектированных в базу и достигших коллектора, оценивают коэффициентом переноса

(4.2)

Чтобы повысить коэффициент переноса, необходимо уменьшить ширину базы и концентрацию примеси в ней.

Ток коллектора создается электронами, покинувшими эмиттер и достигшими кол­лектора (поток 1’), а также неосновными носителями заряда (потоки 6 и 8). Ток, создаваемый потоками 6 и 8, обозначают I_КБ0. Тройной индекс несет в себе оп­ределенную информацию: «К» означает, что это ток коллектора, «Б» — что это схема с ОБ, «О» — что в цепи третьего электрода (эмиттера) ток равен нулю, иначе говоря, ток I_КБ0 — это ток в цепи коллектора при оборванной цепи эмиттера. Таким образом,

С учетом (4.1) и (4.2) можно записать:

Обозначим ά = δ*γ, тогда получим:

(4.3)

Здесь ά — коэффициент передачи тока эмиттера.

Соотношение (4.3) является основным для транзистора, включенного по схеме с ОБ, оно связывает между собой входной и выходной токи и учитывает побочные токи. В современных транзисторах ά ≈ 0,99.

Ток базы в схеме с ОБ является результатом побочных эффектов. Он обусловлен тремя процессами. Во-первых, рекомбинацией в базе, происходящей при пере­мещении электронов от эмиттера к коллектору (поток 1")- Во-вторых, переме­щением дырок из базы в эмиттер (поток 3) и, в-третьих, неосновными носителя­ми заряда (потоки 6 и 8). Поток 3 выражается через ток эмиттера уравнением поток 1" — уравнением . Следовательно,

(4.4)

Нетрудно установить, что три тока транзистора связаны следующим соотноше­нием:

(4.5)

Для схемы с ОЭ входным током является ток базы. Целесообразно для этой схе­мы установить связь между входным и выходным токами, взяв за основу соотно­шение (4.3) и учитывая (4.5):

Введем обозначения

; (4.6)

(4.7)

Тогда получим:

(4.8)

Коэффициент Р называют коэффициентом передачи тока базы.

Полученное соотношение выражает выходной ток транзистора i_к через входной ток i_δ в схеме с ОЭ. Если ά ≈ 0,99, то β ≈ 100. Ток I_КЭО — это ток, протекающий в цепи коллектора (индекс «к») в схеме с ОЭ (индекс «э») при оборванной цепи базы (индекс «0»), Ток I_КЭО примерно в 100 раз превышает ток I_КБО. В его создании участвуют не только потоки 6 и 8, но и электроны, пришедшие из эмиттера. Дело в том, что при обрыве цепи базы внешнее напряжение и_кэ перераспределяется меж­ду коллекторным и эмиттерным переходами. Основная доля этого напряжения прикладывается к коллекторному переходу, так как его сопротивление велико (пе­реход закрыт), а некоторая часть прикладывается к эмиттерному переходу так, что он открывается. Поэтому возникает небольшой по величине поток электронов 1, достигающий коллекторного перехода и складывающийся с потоками 6 и 8.

Коэффициенты передачи токов характеризуют полезный эффект в транзисторе. Они связывают между собой входной и выходной токи. Естественно, что они зависят от схемы включения и режима работы транзистора. В схеме с ОБ, работаю­щей в активном режиме, таким коэффициентом является коэффициент передачи тока эмиттера а, который равен отношению управляемой части тока коллектора, то есть тока связи, к току эмиттера:

Коэффициент передачи тока эмиттера часто называют нормальным коэффициен­том передачи тока эмиттера и обозначают ά_N. В некоторых случаях его называ­ют интегральным коэффициентом передачи тока эмиттера. Все эти названия от­ражают один и тот же физический процесс, протекающий в транзисторе, а именно передачу тока из цепи эмиттера в цепь коллектора.

Коэффициент ά, как установлено ранее, определяется эффективностью эмиттера γ и коэффициентом переноса δ, которые зависят от величины тока эмиттера. Рас­смотрим сначала зависимость γ от i_э, учитывая, что ток эмиттера определяется не только электронной (i_зn) и дырочной (i_эр) составляющими, но и рекомбинацион-ным процессом в эмиттерном переходе (рис. 4.5, а), что обусловливает появление рекомбинационной составляющей тока эмиттера i_рек.

Следовательно, можно записать:

Эффективность эмиттера определяет долю электронного тока в полном токе эмиттера:

(4.9)

Уравнение (4.9) поiзволяет объяснить зависимость γ от тока. В области малых то­ков концентрация электронов, попадающих из эмиттера в эмиттерный переход, соизмерима с концентрацией свободных рекомбинационных ловушек, поэтому они заполняют свободные ловушки, и лишь незначительная часть электронов спо­собна покинуть эмиттерный переход и перейти в базу. В этом случае слагаемое соответственно, эффективность мала. По мере роста i_э, возрастает число заполняемых рекомбинационных ловушек, уменьшается i_рек и возрастает у, достигая значения 0,99 и более. В области больших токов наблюдается снижение γ, обусловленное отношением . Дело в том, что при высоком уровне инжекции инжектированные в базу электроны притягивают к себе дырки, в результате чего возрастает дырочная составляющая тока эмиттера и увеличивается отноше­ние , что ведет к снижению γ.

Коэффициент переноса δ с увеличением тока увеличивается, так как по мере рос­та тока возрастает уровень инжекции электронов в базу, поэтому возникает внут­реннее электрическое поле, и перемещение электронов через базу происходит не только за счет диффузии, но и под действием сил поля, что ведет к уменьшению времени пролета электронов через базу τ_б и возрастанию коэффициента пере­носа δ, который связан с временем пролета соотношением

где τ_n — время жизни электронов в базе.

Поскольку ά = δ*γ, то зависимость ά = f (i_э) принимает вид, показанный на рис. 4.5, б. В области нормальных режимов работы ά очень слабо зависит от тока эмиттера.

Коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ связан с коэффициентом ά соот­ношением (4.6). Следовательно, при небольших изменениях коэффициента ά ко­эффициент β изменяется очень сильно. Например, при изменении ά от 0,99 до 0,98 коэффициент β изменяется от 100 до 50 (см. рис. 4.5, в).

Коэффициенты ά и β зависят от значения напряжения и_кэ. По мере роста и_к, про­исходит расширение коллекторного перехода и соответствующее сужение базы, благодаря чему уменьшается время пролета электронов через базу, возрастает δ и, соответственно, коэффициенты ά и β.

Усилительные свойства транзистора, работающего в инверсном режиме, определяется инверсными коэффициентами передачи ά_I и β_I характеризует передачу тока из цепи коллектора в цепь эмиттера. Поскольку концентра­ция примеси в коллекторе существенно меньше, чем в эмиттере, то эффективность коллектора оказывается невысокой, и, соответственно, ά_{I <<} ά. То же касается и ко­эффициента передачи тока базы в цепь эмиттера β_I.