Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор (БТ) представляет собой p-n-p или n-p-n структуру, получен­ную в монокристалле полупро­водника, в котором созданы три области, чередующиеся по типу проводимости (рис. 2.1,а).

Сред­нюю область называют базой Б, а крайние области — эмиттером Э и коллектором К. Области эмит­тера, коллектора и базы снабже­ны выводами, с помощью кото­рых транзистор включается в электрическую цепь. Переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, образованный коллектором и базой, коллекторным (КП). На каждый из переходов транзистора можно по­дать прямое или обратное смещение. При прямом смещении ЭП из эмиттера инжектируются в базу неосновные для нее носители, а кол­лектор при наличии на КП обратного напряжения производит экстрак­цию носителей, которые прошли к нему через базовую область.

В би­полярном транзисторе концентрация примесей в эмиттере на не­сколько порядков выше концентрации примесей в базе, т.е. ЭП — од­носторонний. Концентрация примесей в коллекторе может быть та­кой же, как и в эмиттере (сплавной транзистор), или примерно такой же, как в базе (планарный транзистор). Обычно у транзистора пло­щадь КП больше площади ЭП, что позволяет на коллекторе собирать большую часть носителей, инжектированных в базу.

В зависимо­сти от механизма прохождения носителей заряда в области базы раз­личают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы. В бездрейфовых транзисторах перенос неосновных носителей за­ряда через базовую область обусловлен диффузией.

В дрейфовых транзисторах путем специального распределения примесей в области базы создается внутреннее электрическое поле, и перенос неоснов­ных носителей заряда через базу осуществляется как посредством дрейфа, так и диффузии.

Большинство современных транзисторов являются дрейфовыми. Однако для упрощения объяснения принци­пов работы мы будем рассматривать бездрейфовые.

В технической документации, а также при изображении электри­ческих схем для биполярных транзисторов следует применять услов­ные обозначения, приведенные на рис.2.1,б.

Рассмотрим принцип работы транзистора n-p-n-типа. Транзистор может быть использован в следующих режимах: оба n-p-перехода сме­щены в обратном направлении (режим отсечки); оба перехода смещены в прямом направлении (режим насыщения); эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном (активный режим).

В активном режиме работы (рис. 2.2) потенциальный барьер в ЭП снижается, а ширина обедненного слоя уменьша­ется; потенциальный барьер в КП возрастает, а ширина обедненного слоя увеличивается. Через эмиттерный переход в базу осуществляется инжекция электронов. Уровень инжекции оп­ределяется отношением концентрации инжектированных электронов к их равновесной концентрации в базе.

Ширина базы W₆ в транзисторах выбирается такой, что W_б<<L_n, где L_n – среднее расстояние, на которое диффундируют неравновесные электроны за время их жизни – диффузионная длина. Поэтому подавляющее большинство электронов, инжектированных эмиттером, достигает коллекто­ра, не успев рекомбинировать с дырками базы. У современных кремниевых транзисторов шири­на базы W₆ ≈ 1 мкм, тогда как диффузионная длина для элек­тронов в кремнии составляет 5+10 мкм. Вблизи КП электро­ны попадают в его ускоряющее поле и втягиваются в коллектор.

В бездрейфовых транзисторах база должна быть электрически нейтральной. Из-за

частичной рекомбинации электронов и ды­рок нейтральность базы наруша­ется. Для ее восстановления, т.е. для восполнения положительного заряда дырок, в установившемся режиме работы от источника напряжения U_эб в базу вводится необхо­димое число дырок, которые образуют рекомбинационный ток базы. Физически это соответствует оттоку избытка электронов к источнику U_эб. Кроме того, в цепи базы протекает ток I_кб0 являющийся обрат­ным током КП.

Ток Iк, текущий через КП, зависит от тока ЭП. Ток базы Iб=Iэ-Iк.