Биполярные транзисторы Транзистор - полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. Биполярный транзистор - транзистор в котором используются оба типа носителей основные и неосновные Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора Э – эмиттер Б – база К – коллектор W -толщина базы ЭП – эмиттерный переход КП – коллекторный переход

По технологии изготовления транзисторы делятся на сплавные, планарные, а также диффузионно сплавные, мезапланарные и эпитаксиально планарные. Сплавной Диффузионно- сплавной Диффузионно- планарный Мезапланарный Эпитаксиально- планарный Конструктивное оформление биполярного транзистора

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора: 1. Режим отсечки – оба p n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток; 2. Режим насыщения – оба p n перехода открыты; 3. Активный режим – один из p n переходов открыт, а другой закрыт. В активном режиме можно управлять транзистором и он может выполнять функции активного элемента электрической схемы. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Область транзистора, расположенная между переходами, называется базой (Б). Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую – так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы. Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а соответствующий переход – эмиттерным. Область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором (К), а переход – коллекторным. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным. По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы. Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым (диффузионным).

Физическое процессы В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция - процесс введения неравновесных носителей в объем полупроводника диффузия - процесс переноса носителей за счет разности концентрации рекомбинация – процесс «исчезновения» носителей за счет взаимодействия электронов и дырок экстракция – процесс изъятия неравновесных носителей из объема полупроводника. Закон распределения инжектированных дырок р n (х) по базе в p-n переходе эмиттер-база, при условии, что длина базы велика Распределение инжектированных дырок в базе

Процесс переноса инжектированных носителей через базу – диффузионный. Lp - диффузионная длина -это характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения. Поэтому если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. И условие W < Lp является необходимым для реализации транзисторного эффекта – управления током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи. В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток. Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса: инжекция из эмиттера в базу; диффузия через базу; рекомбинация в базе; экстракция из базы в коллектор. Зонная диаграмма биполярного транзистора: а) в равновесном состоянии; б) в активном режиме

Биполярный транзистор в схеме с общей базой Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном переходе – прямое напряжение, на коллекторном – обратное:Uэ > 0, Uк < 0 ) является основным. Для биполярного транзистора p n р типа в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, и через него происходит инжекция дырок, как неосновных носителей, в базу. Толщина базы W должна быть мала (W 0 в биполярном транзисторе p n р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу I эр и электронов из базы в эмиттер I эn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок I эр будет значительно превышать ток электронов I эn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу, и если ширина базы W много меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного p n р перехода будут переброшены в р область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером.

Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (Uк > 0): где I э – ток в цепи эмиттера, I к – ток в цепи коллектора, I б – ток на базовом выводе. В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет эмиттерный ток I э, имеющий две компоненты : где I эр – ток инжекции дырок из эмиттера в базу, I эn – ток инжектированных электронов из базы в эмиттер. Величина «полезной» дырочной компоненты равняется I эp = γ· I э, где γ – эффективность эмиттера. Величина дырочного эмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γ κ I э., Ток базы I б транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе I эn = (1 – γ)· I э, рекомбинационный ток в базе (1 - κ)γ I э и тепловой ток коллектора I к 0. Тепловой ток коллектора I к 0 имеет две составляющие( I 0 – тепловой ток, I g – ток генерации ) :

Формулы Молла – Эберса Формулы Молла – Эберса являются универсальными соотношениями, которые описывают характеристики биполярных транзисторов во всех режимах работы. Рассмотрим БТ в виде эквивалентной схемы: При нормальном включении через эмиттерный p n переход течет ток I 1, через коллекторный переход течет ток α N I 1 – меньший, чем I 1, вследствие рекомбинации части инжектированных носителей в базе. На схеме этот процесс изображен как генератор тока α N I 1, где α N – коэффициент передачи эмиттерного тока. При инверсном включении транзистора прямому коллекторному току I 2 будет соответствовать эмиттерный ток α I I 2, где α I – коэффициент инверсии. Таким образом, токи эмиттера J э и коллектора J к в общем случае состоят из инжектируемого ( I 1 или I 2 ) и экстрагируемого ( α N I 1 или α I I 2 ) токов: (1)

Величины токов I 1 и I 2 выражаются для p n переходов стандартным способом: (2) где I э0' и I к0' – тепловые (обратные) токи p n переходов. Токи I э0' и I к0' отличаются от обратных токов эмиттера I э0 и I к0 коллектора биполярного транзистора. Подставляя (2) в (1) получаем: (3) где Jб – ток базы, равный разности токов эмиттера I э и коллектора I к. При измерении теплового тока коллектора I к 0 дырки как неосновные носители уходят из базы в коллектор: Jк = Jб (Jэ = 0). При этом поток дырок из базы в эмиттер не уравновешен и их переходит из эмиттера в базу больше, чем в равновесных условиях. Это вызовет накопление избыточного положительного заряда в базе и увеличение потенциального барьера на переходе эмиттер – база, что, в конце концов, скомпенсирует дырочные токи. Таким образом, при изменении теплового тока коллектора эмиттер будет заряжаться отрицательно по отношению к базе.

Вольт амперные характеристики биполярного транзистора в активном режиме в схеме с общей базой На эмиттерный переход биполярного транзистора подано прямое, а на коллекторный – обратное смещение. Для p n p биполярного транзистора это Uэ > 0, Uк < 0. Входные параметры-Jэ, Uк, а выходных – Jк, Uэ. Из формул Молла-Эберса выразим, подставим в выражение для Jк и получим: Учитывая, что получаем Соотношение (4) описывает семейство коллекторных характеристик I к = f(Uк) с параметром I э. (4) (5) Семейство эмиттерных характеристик Uэ = f( I э) с параметром Uк описывается соотношением (5)

Формулы (4) и (5) описывают характеристики транзистора, представленные на рисунках ниже ВАХ БТ в активном режиме: а) семейство эмиттерных характеристик; б) семейств коллекторынх характеристик а)б) Для активного режима, когда Uэ > 0, Uк < 0, |Uк|

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общей базой Основными величинами, характеризующими параметры биполярного транзистора, являются: α – дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера – это отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе. Для коэффициента передачи α можно записать: где – коэффициент инжекции, или эффективность эмиттера – доля полезного дырочного тока в полном токе эмиттера Jэ. – коэффициент переноса – показывает долю эмиттерного дырочного тока, без рекомбинации дошедшего до коллекторного перехода. r э – сопротивление эмиттерного перехода. r к – сопротивление коллекторного перехода. µ эк – коэффициент обратной связи - отношение приращения напряжения на эмиттере к вызвавшему его приращению напряжения на коллекторе при постоянном токе через эмиттер. (7) (7.1) (8) (9) (10)

Коэффициент инжекции Зонная диаграмма эмиттерного перехода БТ при прямом смещении В формуле для γ заменим приращение токов dJэ, dJк на их значения Jэ, Jк. Выразим эмиттерный ток Jэ как сумму электронной Jэn и дырочной Jэp компонент Jэ = Jэp + Jэn. Воспользовавшись выражениями для компонент тока Jэp и Jэn:,получаем Из (11) следует, что для эффективной работы биполярного транзистора p n p типа ток эмиттера Jэ должен быть в основном дырочным (Jэp). По этой причине эмиттер биполярного транзистора должен быть легирован существенно сильнее по отношению к уровню легирования базы (N АЭ >> N ДБ ). (11)

Коэффициент переноса. Фундаментальное уравнение теории транзисторов Коэффициент передачи эмиттерного тока α характеризует изменение коллекторного тока Iк при вызвавшем его изменении эмиттерного тока I э. Ток коллектора обусловлен дырками, дошедшими от эмиттерного перехода до коллекторного. Рассмотрим зависимость коэффициента переноса χ от параметров биполярного транзистора. Из уравнения непрерывности следует, что в стационарном режиме После нахождения решения уравнения (13),вычисления граничных условий совместного решения найденных уравнений получаем: Выражение (14) показывает, что в первом приближении распределение дырок рn(х) по толщине базы линейно. Этот вывод понятен и по физическим соображениям. Поскольку ток в базовой области диффузионный и примерно постоянен по ширине базы (так как рекомбинация мала), градиент концентрации дырок постоянен:. Так как коэффициент переноса,то Продифференцировав выражение для концентрации дырок p(x) определим коллекторный ток Jк и рассчитаем это выражение при х = W, получим. Разлагая гиперболический косинус ch(x) в ряд при условии, что x < W, и используя первый член в этом разложении, получаем: (12) (13) (14)

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода Из выражения (5) для ВАХ биполярного транзистора легко получить общее выражение для дифференциального сопротивления эмиттерного перехода: Если Uэ = 0 (условие короткого замыкания), тогда Если Iэ = 0 (условие холостого хода), то Зависимость коэффициента передачи от напряжения на коллекторе Uк может проявится так: изменение напряжения на коллекторе изменит ширину объединенной области p n перехода, в свою очередь изменение ширины объединенной области p n перехода вызовет изменение ширины базы, а изменение ширины базы изменит коэффициент передачи эмиттерного тока. С учетом этого получим следующие выражения для расчета дифференциального сопротивления коллекторного перехода: Изменение коэффициента передачи биполярного транзистора вследствие модуляции ширины базы при изменении коллекторного напряжения Uк получило название эффект Эрли Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

Эффект Эрли Рассмотрим влияние модуляции ширины базы на коэффициент передачи. Выражение для коэффициента передачи имеет следующий вид: Для несимметричного p+ n перехода обедненная область локализована в слабо легированной части p n перехода и ее ширина: При изменении напряжения на коллекторе Uк меняется ширина обедненной области, а следовательно, и ширина базы биполярного транзистора W. Этот эффект обуславливает конечное значение дифференциального сопротивления коллекторного перехода: Эффект Эрли – эффект модуляции ширины базы биполярного транзистора Коллекторные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой, иллюстрирующие влияние эффекта Эрли

Коэффициент обратной связи Коэффициент обратной связи по напряжению в биполярном транзисторе в схеме с общей базой показывает, как изменится напряжение на эмиттерном переходе при единичном изменении напряжения на коллекторном переходе при условии, что ток эмиттера поддерживается постоянным: Ненулевое значение коэффициента обратной связи обусловлено эффектом Эрли. Iэ = const обуславливает постоянство градиента концентрации инжектированных носителей. При увеличении напряжения на коллекторе Uк увеличивается ширина обедненной области lp-n коллекторного p n перехода, что вызывает уменьшение ширины квазинейтрального объема базы W. Это, в свою очередь, влечет за собой уменьшение концентрации инжектированных носителей рn(0) на границе эмиттерного перехода (так как градиент должен оставаться постоянным). Поскольку концентрация инжектированных дырок на границе эмиттерного перехода рn(0) = p0·exp(βUэ) определяется напряжением на эмиттере, то ее уменьшение возможно только при уменьшении напряжения Uэ на эмиттере. Если : Iэ = const,, то при увеличении коллекторного напряжения Uк должно происходить уменьшение эмиттерного напряжения Uэ. Физически наличие обратной связи по напряжению в биполярном транзисторе в схеме с общей базой обусловлено эффектом модуляции ширины базы. Влияние эффекта модуляции ширины базы БТ на концентрацию неосновных носителей на границе эмиттер – база

Выражение для коэффициента обратной связи Поскольку, то. Учитывая, что, так как градиент постоянен. Используя зависимость ширины базы от напряжения на коллекторе, полученную ранее. Тогда Знак – в выражении для µэк означает, что при увеличении напряжения на коллекторе Uк происходит уменьшение напряжения на эмиттере Uэ. Объемное сопротивление базы Объемное сопротивление базы БТ в схеме с общей базой определяется только геометрическими особенностями конструкции БТ. Для сплавного транзистора, как показано на рисунке общее сопротивление будет складываться из сопротивления активной (1), промежуточной (2) и пассивной (3) областей. Схема БТ, иллюстрирующая расчет объемного сопротивления базы

Геометрический ряд этих сопротивлений дает значение:, где первое слагаемое – сопротивление цилиндра, второе слагаемое – сопротивление одного кольца, третье слагаемое – сопротивление другого кольца. Независимость от ширины цилиндра связана с тем, что ток базы рекомбинационный и зависит от объема вещества. Тепловым током коллектора I к0 называют коллекторный ток I к, измеренный в режиме разомкнутого эмиттерного перехода (режим холостого хода в эмиттерной цепи I эр = 0 при большом обратном смещении на коллекторном переходе). Тепловой ток коллектора отличается от обратного тока диодного p n перехода, поскольку в биполярном транзисторе есть еще и эмиттерный переход. Из уравнения следует, что I эр = 0 определяет следующее уравнение для распределения дырок p n (x) по базе БТ: Тепловой ток коллектора

Продифференцировав (15) по x, рассчитаем градиент при х = W: Умножив градиент на коэффициент qDS, получаем тепловой ток коллектора: Поскольку W