Біполярний транзистор в активному режимі

Біполярний транзисторявляє собою напівпровідниковий прилад, що складається з трьох областей з типами електропровідності, що чергуються, придатний для посилення потужності. Структура біполярного транзистора є двома зустрічно спрямованими p-n-переходами (рис.1). Область транзистора, розташовану між електронно-дірковими переходами, називаютьбазою. Прилеглі до бази області найчастіше роблять неоднаковими. Область транзистора, основним призначенням якої є інжекція носіїв у базу, називаютьемітером, відповідний електронно-дірковий перехідемітерним. Область транзистора, основним призначенням якої є екстракція носіїв з бази, називаютьколектором, відповідний електронно-дірковий перехідколекторним. Дані області позначені відповідно як Е, Б, К на рис. 1. Оскільки у наведеному прикладі емітер і колектор мають n-тип провідності, а база p-тип, то прилад називається n-p-n-транзистором. При зворотній полярності областей утворюється p-n-p-транзистор. Як бачимо на рис. 2, структура транзисторів реальних ВІС відрізняється від схематичного зображення транзистора на рис. 1. Це зумовлено планарною технологією їхнього виготовлення. Ділянка, виділена пунктиром на рис. 3 відповідає активній області транзистора, зображеного на рис. 1. Інші ділянки структури є паразитними елементами транзистора.

Основні умови для забезпечення підсилювальних властивостей транзистора:

Товщину базиWроблять невеликою порівняно з дифузійною довжиною неосновних носіїв заряду, що знижує втрати на рекомбінацію обсягом матеріалу.

Розміри колектора роблять такими, щоб він міг перехопити весь потік носіїв, які від емітера, тобто. площаколекторного переходу має бути значно більше площі емітерного переходу (Sкп>Sеп).

Для зменшення складової струму носіїв, що інжектуються з бази в емітер, концентрацію домішок у базі роблять значно меншою, ніж в емітері.

Розглянемо роботу n-p-n-транзистора, схематично представленого на рис. 1. ВідстаньWміж емітерним та колекторним переходами становить металургійну ширину бази. Нехайxе

відстань від кінця збідненого шару з боку емітерного переходу до омічного електрода емітера, а площа поперечного перерізу транзисторної структуриSпостійна вздовж осіx. До емітерного та колекторного переходів прикладені напругиUбе,Uбк.

Припустимо, що концентрація домішокНе, Nб, Nкв областях емітера, бази та колектора на емітерному та колекторному переходах змінюються ступінчасто, причомуНе, Nк

концентрації донорів, аNб

Концентрація акцепторів. На обох переходах утворюються збіднені верстви. За початок відліку вздовж осіx(x=0 ) приймемо межу збідненого шару емітерного переходу з боку бази. Тодіxб

межі збідненого шару колекторного переходу із боку бази. У межах0

Для опису роботи транзистора скористаємося виразом (7). Спочатку розглянемо роботу транзистора як перемикання. Зрозуміло, що з негативних значенняхUбэ,Uбк(зворотне усунення)Is

0 і транзистор закритий, а при позитивних значеннях через базу протікає струм і транзистор відкритий, тобто відбувається перемикання приладу. Розподіл концентрації неосновних носіїв режиму перемикання схематично зображено на рис. 4. Концентрація неосновних носіїв на кордонахзбіднених шарів визначається за формулою (5) та відповідає значенням, наведеним на малюнку. Як видно на рис. 4б, у відкритому стані концентрація неосновних носіїв у основі висока. При подачі негативних напругUбе,Uбкконцентрація інжектованих неосновних носіїв не зменшується миттєво. Протягом деякого часу через базу продовжує протікати струм та транзистор залишається відкритим. Цей процес називається ефектом накопичення неосновних носіїв, яке тривалість приблизно дорівнює часу накопичення. Для підвищення швидкості перемикання транзистора час нагромадження необхідно зменшувати. Це можна зробити, наприклад, за рахунок зменшення часу життя носіїв у базовій області шляхом формування у процесі виготовлення транзистора нерівномірного розподілу домішки у базі. Під дією електричного поля, обумовленого таким розподілом, неосновні носії з високою швидкістю дрейфуватимуть із бази. З іншого боку, зменшити час накопичення можна схемними методами. Для цього p n переходи транзистора шунтуються діодами Шоттки, що обмежують високу позитивну напругуUбе,Uбк. При цьому у відкритому стані транзистора концентрація неосновних носіїв в базі не досягає занадто великої величини і при перемиканні потрібно менше часу видалення цих носіїв з бази. Далі припустимо, щоUбк

позитивно. Тоді, вважаючи, що струм колектораIкпротікає транзистором у позитивному напрямку (рис. 1) і, нехтуючи в рівнянні (7) членом зUбк, отримаємо:(11). З цієї формули видно, що невелика змінаUбепризводить до значної зміниIк. Хоча емітерний перехід, зміщений у прямому напрямку, має малий опір, а назадзміщений колекторний перехід - високий опір, через колекторний перехід протікає струм, що дорівнює емітерному. Це означає, що сигнал змінної напруги, що подається між емітером та базою, посилюється на виході між колектором та базою. У такому режимі транзистор працює як підсилювальний елемент. Розподіл концентрації неосновних носіїв при цьому випадку схематично зображено на рис. 5.

Для наочності в базовій області розподіл концентрації представлений у лінійному масштабі, а в інших областях у логарифмічному. Оскільки емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, то концентрація електронів з боку цього переходу в exp(Uбе/kT) разів більша за концентрацію в стані теплової рівноваги. З боку колектора концентрація електронів близька до нуля, тому щоUбкнегативно. Під дією прискорюючого електричного поля в колекторному переході електрони швидко переходять із бази колектор. Якщо рекомбінація електронів відсутня, то концентрація електронів у основі зменшується лінійно. Такий режим електричного усунення називають активним режимом роботи транзистора. Типові параметри біполярних n-p-n-транзисторів напівпровідникових ІВ такі: коефіцієнт посилення струму бази близько 200, гранична частота до 500 МГц, ємність колектора до 0,5 пФ, пробивна напруга для колекторного переходу до 50 В, для емітерного до 8. і p-шарів становить кілька сотень, а n + -шарів не більше 20 Ом.

ВАХ біполярного транзистора

Якщо позначити напругу і струм вхідного електрода транзистора черезU1іI1, а напруга і струм вихідногоU2іI2, то взаємозв'язок цих чотирьох величин можна виразити двадцятьма чотирма сімействами характеристик, що належать до шестисистемам. Як основні зручно вибирати сімейства характеристик, що зв'язують струм і напруга на входівхідні характеристики, і струм і напруга на виходівихідні характеристики.

Загальна база

Вхідні характеристики	Вихідні характеристики

Загальний Емітер

Вхідні характеристики	Вихідні характеристики

Еквівалентні схеми транзистора

Під еквівалентною схемою розуміють електричну схему, складену з лінійних елементів електричних ланцюгів (опірів, ємностей, індуктивностей, генераторів струму або напруги), яка за своїми властивостями при цьому сигналі не відрізняється від реального об'єкта (транзистора). За основу побудови зазвичай беруть формальну еквівалентну схему ідеалізованого транзистора, що називаєтьсяодномірною теоретичною моделлю(спрощена схема).

Тутrэопір емітерного переходу, воно диференціальне,rэ=10÷30 Ом;rк¦ опір назад зміщеного КП, воно також диференціальнеrк=400÷1000 кОм;rб- об'ємний опір бази;αкоефіцієнт передачі струму емітера в схемі із загальною базою;αiэ¦ кероване джерело колекторного струму.

Еквівалентна схема Еберса - Мола (нелінійна еквівалентна схема транзистора)

Тут об'ємні опори областей емітера, бази та колектора.rбнайбільш істотне (т.к. база слаболегована).D1, D2- відображають ЕП і КП (діоди).C1, C2ємності p-n переходів.αi1, αi2- керовані джерела струму.

Умовнепозначення транзистора

Емітерний перехід

Колекторний перехід

Режим роботи

Активний режим роботи використовують для посилення та генерування сигналів.

Режими насичення та відсікання використовується в ключових пристроях, в логічних та цифрових ІС.

Інверсна практично не використовується або використовується дуже рідко.

ПрямеНазадАктивний, підсилювальнийПрямеПрямеНасиченняНазадПрямеІнверснийНазадНазадвідсічення струму

Схеми увімкнення транзистора (активний режим роботи)

Схема із загальною базою	Схема із загальним емітером	Схема із загальним колектором

Посилення потужності транзистором

,Kp- коефіцієнт посилення.

• Зі З. Фізика напівпровідникових приборов.в 2-х т., М., Світ, 1984.
• Пасинков В.В., Чиркін Л.К. Напівпровідникові прилади М. Енергоатоміздат.
• Тугов Н.М., Глєбов Б.А., Чариков Н.А. Напівпровідникові пристрої. М. Енергоатоміздат.
• Шалімова К.В. Фізика напівпровідників. М. Енергоатоміздат. М. МЕІ(ТУ). 1997.

---