Структура, принцип действия, статические характеристики

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя выводами. Название прибора “транзистор” состоит из двух английских слов: transfer – переносить, преобразовывать и resistor – сопротивление. В биполярных транзисторах, которые называют просто транзисторами, перенос электрического тока в кристалле полупроводника и усиление сигнала обусловлены движением носителей заряда обеих полярностей – электронов и дырок, поэтому он называется «биполярным».

Структура биполярного транзистора представляется тремя областями с чередующимися типами проводимости. Порядок чередования областей определяет транзисторы с прямой () и обратной () проводимостью. Упрощенные схемы структур и условные графические изображения этих типов транзисторов показаны на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структуры транзисторов: прямой проводимости (а) и обратной проводимости (с). Условные обозначения транзисторов прямой проводимости (b) и обратной проводимости (d)

На месте контакта и образуется два - перехода: эмиттерный и коллекторный. Взаимодействие между ними будет обеспечено тогда, когда толщина области между переходами, которая называется базой (Б), будет меньше диффузионной длины пробега неосновных носителей заряда. Примыкающие к базе области чаще всего неодинаковы. Одну из них изготавливают так, чтобы она обеспечивала эффективную инжекцию носителей в базу. Эта область обычно легирована значительно сильнее, чем база, и называется эмиттером (Э). Другая область должна наилучшим образом осуществлять экстракцию (отсос) носителей из базы и называется коллектором (К). Соответственно, примыкающий к эмиттеру переход называется эмиттерным, а примыкающий к коллектору – коллекторным. Рассмотрим работу транзистора на примере структуры прямой проводимости (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 -. Структура транзистора прямой проводимости и

потенциальная диаграмма

Подсоединим к транзистору внешние источники напряжения и . База является общим электродом для обоих источников, поэтому такое включение называют схемой включения с общей базой (ОБ). Полярность источников подбирают так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Под действием внешних источников потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается на величину, а на коллекторном - увеличивается на величину, как видно из потенциальной диаграммы показанной на рисунке 2.2.

Через низкий потенциальный барьер в эмиттерном переходе дырки переходят в базу (поток 1, ток эмиттера ), диффундируют через нее, достигают коллекторного перехода, попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода и переносятся этим полем в область коллектора (поток 2, ток коллектора ). Перемещаясь через базу, часть дырок встречается с электронами и рекомбинируют с ними, в результате чего поток 1 разделяется на две части - поток 2 и поток 3 (ток базы ). Эти потоки являются основными, определяющими работу транзистора. Уравнения баланса токов можно записать в виде

. (2.1)

Усилительные свойства транзистора определяются интегральным коэффициентом передачи по току при схеме включения с общей базой

. (2.2)

Он должен быть как можно ближе к единице, а это возможно за счет уменьшения тока базы, который возникает вследствие рекомбинации носителей заряда. Для уменьшения вероятности рекомбинации базовую область делают слабо легированной, уменьшают ширину базовой области, создают ускоряющее поле в базовом слое.

Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению неуправляемого тока - перехода (поток 4), он возникает за счет дрейфа неосновных носителей (электронов). С учетом этого тока, который называется неуправляемым током коллектора , можно записать

, (2.3)

. (2.4)