Принцип работы транзистора в инверсном режиме

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов. Термин “биполярный” подчеркивает тот факт, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, - дырок и электронов. В дальнейшем для краткости будем его называть просто - транзистором.

Режим работы транзистора, при котором коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном, называется инверсным. В этом случае коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер – коллектора. Конструктивно у транзистора между коллекторным и эмиттерный переходами нет принципиальных различий. Поэтому транзистор (в отличие от электронной лампы) допускает инверсное включение. При этом в случае структуры р-n-р дырки инжектируются в базу коллектором транзистора, а собираются (экстрагируются) его эмиттером.

Эта особенность позволяет значительно упростить ряд устройств, в которых в процессе работы производится последовательная смена направления передачи сигналов (меняются местами вход и выход каскада). Кроме того, ряд специфических параметров транзистора при инверсном включении улучшаются, например уменьшаются (по модулю) остаточное напряжение и ток в режиме отсечки, что очень важно при использовании транзистора в качестве электронного ключа.

Прежде всего, следует отметить уменьшение коэффициента передачи тока эмиттера, что в бездрейфовом транзисторе происходит в основном из-за разности площадей эмиттерного и коллекторного переходов. В дрейфовом транзисторе это уменьшение происходит также из-за влияния собственного поля базы, которое при нормальном включении способствует прохождению (создаёт дрейф) инжектированных носителей через базу, а при инверсном включении соответственно оказывает на них тормозящее действие.

Рассмотрим процесс переноса дырок через базу бездрейфового планарного транзистора типа p-n-p при нормальном и инверсном включении (см. рисунок). Базу транзистора следует разделить на активную и пассивную области. Активная область базы определяется площадью эмиттерного перехода. При нормальном включении транзистора подавляющее большинство дырок, инжектируемых эмиттером, переходит на коллектор по кратчайшему пути через активную область базы. Здесь появляется наибольший градиент в распределении концентрации дырок, наибольшая скорость и соответственно наименьшее время их переноса. Незначительное количество дырок, диффундируя в направлении уменьшения своей концентрации, достигает коллектора по более длинному пути через пассивную область базы. Именно здесь происходит усиленная объёмная и поверхностная рекомбинация дырок, являющаяся основной причиной уменьшения управляемого тока коллектора при неизменном токе эмиттера.

При инверсном включении большое количество инжектируемых инверсным эмиттером дырок совершает переход к инверсному коллектору по относительно длинному пути через пассивную область базы. Причем многие из них попадают на поверхность кристалла возле контактного кольца базы. Поэтому в инверсном режиме становится более заметным влияние как объёмной, так и поверхностной рекомбинации дырок, что и вызывает уменьшение инверсного коэффициента передачи тока.

Все статические характеристики транзистора в инверсном режиме подобны соответствующим характеристикам при его нормальном включении.

Для такого включения транзистора характерно β_инв≈1. На рис. показан примерный вид выходных ВАХ транзистора с ОЭ в прямом (первый квадрант) и обратном включениях (третий квадрант), откуда видно, что при инверсном включении обычный транзистор имеет меньший коэффициент передачи тока базы как в статическом, так и в динамическом режимах