БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Общие вопросы. Устройство, режимы работы транзисторов

Биполярный транзистор — это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три или более выводов. Термин "биполярный" в названии этих транзисторов отражает тот факт, что процессы в них определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция через р—п-переход неосновных носителей, заряд которых компенсируется основными носителями.

Рис. 4.1

Принципиальная структура биполярного транзистора включает три полупроводниковых области л—р—л- (рис. 4.1, а) или р—л—р типа (рис. 4.1, б), которые соответственно называются эмиттером, базой и коллектором. Так, р—л-переход между эмиттером и базой (/) называется эмиттерным, а между базой и коллектором (2)коллекторным (см. рис. 4.1, а, б). Помимо структуры транзисторов, на рис. 4.1 (внизу) приведены и их условные обозначения в схемах, где стрелка указывает направление тока при прямом смещении эмиттерного и обратном смещении коллекторного р—л перехода.

Возможны три схемы включения биполярных транзисторов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. На рис. 4.2 показаны две из них. Направления токов и полярности напряжений соответствуют нормальным условиям работы (активному режиму) т. е. прямому смещению эмиттерного р—л-пе- рехода и обратному смещению коллекторного перехода. Кроме этого режима возможна работа транзистора еще в трех режи-

Рис. 4.2

мах: отсечки, двойной инжекции или насыщения и инверсном. В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении, в режиме двойной инжекции на оба перехода поданы прямые напряжения; в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный — в обратном направлении.

По конструктивным особенностям и технологии изготовления биполярные транзисторы могут быть эпитаксиально-планарными, планарными, диффузионными, диффузионно-сплавными, сплавными и т. д.

В настоящее время транзисторы изготавливаются преимущественно из кремния. На рис. 4.3, а представлена полупроводниковая структура кремниевого эпитаксиально-планарного транзистора, характерная для большинства дискретных транзисторов.

На поверхности полупроводниковой пластины формируется тонкий диэлектрический слой вЮ.,. Сильнолегированная подложка л' -типа (1) вместе со слаболегированным эпитаксиальным слоем л типа (2) толщиной XVэп - 10 мкм образуют коллекторную область. Области базы р типа (3) и эмиттера л' типа (4) (рис. 4.3, а, б) создаются методом диффузии или ионной имплантации. Электроды формируются тонкопленочными металлическими полосками 5, 6, 7 (рис. 4.3, а, где а-ширина эмиттера). Распределение концентрации примесей в направлении от поверхности (слой 8Ю2) через эмиттер к коллектору приведено на рис. 4.3, б, где А^дЗ" #аБ, 7УдК, А^дП — концентрация доноров в эмиттере, акцепторов в базе, доноров в коллекторе и подложке соответственно. Толщина базы XV Б современных маломощных высокочастотных транзисторов составляет 0,2... 1 мкм.

Рис. 4.3

Физические процессы в нормальном активном режиме. Коэффициенты передачи тока

В активном режиме, который является наиболее распространенным, особенно для усилительных схем, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Рассмотрим транзистор рп—р-типа. (Хотя на практике чаще используют п—р—/г транзисторы, дальнейшее рассмотрение будем проводить на основе р—л—р транзисторов, так как для них направление движения дырок совпадает с направлением тока, что облегчает понимание.) В этом случае дырки, инжектированные из эмиттера в базу, движутся к коллекторному переходу. Инжекцией электронов из базы в эмиттер можно пренебречь, поскольку концентрация примесей в эмиатерной области, как правило, много больше, чем в базовой. Движение инжектированных носителей через базу обусловлено как диффузией, так и дрейфом носителей. Диффузия вызвана повышением концентрации носителей из-за их инжекции в базу около эмиттерного перехода. В области, примыкающей к коллекторному переходу, под действием обратного напряжения происходит экстракция дырок. Дрейфовое движение вызвано внутренним электрическим полем в базе, возникающим из-за неравномерного распределения в ней примеси. Такие транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой дрейфовое движение играет значительную роль, называют дрейфовыми.

Возникновение внутреннего поля можно проиллюстрировать схемой на рис. 4.4, где представлено распределение доноров в л базе, аналогичное показанному на рис. 4.3, б. Неравномерное распределение примеси в базе, а, следовательно, и основных носителей, поскольку при комнатной температуре вся примесь ионизована, вызывает диффузию электронов в направлении

коллектора. Из-за ухода электронов в базе со стороны эмиттерного перехода образуется избыточный не скомпенсированный заряд ионов доноров, обозначенный на рис. 4.4 крестиками "+ ", а со стороны коллектора ушедшие электроны образуют избыточный отрицательный заряд "-*. В результате сформировавшихся избыточных зарядов и возникает внут-

Рис. 4.4

реннее поле ^внухр, которое будет ускоряющим для инжектированных из эмиттера дырок. Инжектированные дырки, пройдя область базы, будут втягиваться в коллектор ускоряющим электрическим полем. Часть инжектированных дырок при их движении к коллектору будет рекомбинировать в области базы, образуя базовый ток. Число рекомбинировавших носителей невелико, поскольку толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной дырок. В результате токи эмиттера /э и коллектора /к различаются незначительно и их разность равна току базы /Б, т. е. IБ = /э - Лс* Коллекторный ток очень слабо зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все дырки, дошедшие до коллекторного перехода, ускоряются его полем и уносятся в коллектор. Направление токов можно проследить по схеме на рис. 4.2.

Слабое влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток приводит к тому, что дифференциальное сопротивление коллекторного перехода гк = КБ/(ПК очень велико, что характерно для р—п перехода, смещенного в обратном направлении. В такой ситуации в коллекторную цепь можно включить достаточно большой нагрузочный резистор Лн практически без изменения коллекторного тока. Если входной ток эмиттера увеличивается на величину Д/э, то приращение коллекторного тока Д/к будет приблизительно тем же самым, т. е. Д/э ~ Д/к. Увеличение ВХОДНОЙ МОЩНОСТИ ДР„Х, потребляемой в эмиттерной цепи, определяется величиной Д/э и дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода гэ = <Шэв/с1/э, которое для прямосмещенного перехода очень мало по сравнению с сопротивлением обратносмещенного коллекторного перехода гк, т. е. гк гэ. В результате значение приращения входной мощности ДРВХ = Д/ЭДС/ЭВ = Д/|гэ будет много меньше выделяемого на нагрузке Ян изменения выходной мощности ДРВЬ1Х = Д/к Д1/КБ = = Д7(|ЯН, поскольку обычно Кп гэ. Таким образом, схема усиливает с коэффициентом усиления К = ДРВЫХ/ДРВХ = Янэ > 1. В активном режиме ток эмиттера /э для рпр-транзистора состоит из токов инжекции дырок в базу 1Эр и электронов из базы в эмиттер /Эл, а также тока рекомбинации в переходе /Эрск, т. е. 7э = 7Эр + /Эп + ^эрек* Из всех составляющих ток инжекции

дырок 1Эр из эмиттера в базу определяет выходной коллекторный ток, и, следовательно, является полезным. Остальные две составляющие относятся к потерям, и их необходимо по возможности уменьшать. Полный ток коллектора /к, помимо тока инжекции, учитывает ток рекомбинации в базе /Брек и обратный ток коллекторного перехода /КБ0, который не зависит от тока эмиттера. Рекомбинацию инжектированных носителей в базе учтем введением коэффициента а — статического коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой (ОБ). В результате полный ток коллектора можно записать в форме

Из выражения (4.1) следует, что

В выражении (4.2) приближенное соотношение справедливо ДЛЯ рабочих ТОКОВ /к, которые обычно МНОГО больше /кво* Физически а определяется коэффициентами инжекции эмиттера уэ = /э„//э и переноса носителей через базу ХБ = /К//Эр, т. е.

Коэффициент инжекции уэ показывает, какую часть составляет полезный ток инжекции дырок из эмиттера в базу в полном токе эмиттера. Величина ХБ отражает потери инжектированных дырок при их движении через базу за счет рекомбинации. Рекомбинация определяет ток базы, который равен /Б = = /э - /к. Если воспользоваться соотношением (4.1), то можно получить

Из выражения (4.3) видно, что при токе /э = ^кво/(1 °0 ток /Б = 0. Рабочие токи эмиттера значительно больше /Кво/(1 ” °0" тогда ток базы можно вычислить по формуле

В импульсных и цифровых интегральных схемах достаточно широко используется инверсный режим, когда в противоположность нормальному режиму роли эмиттера и коллектора меняют-

ся местами. В инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Входным током в схеме с ОБ будет коллекторный ток, а выходным — эмиттерный. Аналогично (4.1) для инверсного режима

где а7 — инверсный коэффициент передачи тока, /:)БО — обратный ток эмиттерного перехода при /к = 0.

Из (4.5) следует, что

причем аналогично (4.2) а7 = укА.Б7, гДе 7к — коэффициент инжекции коллектора, ХБ1 — инверсный коэффициент переноса.

Для большинства транзисторов at > а, поскольку коллекторный переход не обладает, в отличие от эмиттерного, свойством односторонней инжекции, так как концентрация примеси в коллекторной области много меньше, чем в эмиттерной (см. рис. 4.3). В результате ук < уэ. Помимо этого, внутреннее поле базы является тормозящим для носителей, движущихся из коллектора в эмиттер, что уменьшает ХБ1, и в результате оказывается ХБ7 < А.б, кроме того, А.б может уменьшаться из-за рекомбинации носителей в пассивной базе (окисленной поверхности полупроводника базы или на базовом контакте).

Для схемы с ОЭ входным током является ток базы /Б, а выходным — ток коллектора /к. В этом случае, пользуясь выражением (4.1) и учитывая, что /э = /к 4- /ь, можно для коллекторного тока получить следующее выражение

Введем обозначение р = а/(1 - а). Коэффициент р называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Окончательно выражение (4.7) можно записать в виде

Из этой формулы следует:

Таким образом, (3 есть отношение выходного коллекторного тока к входному базовому току. Высококачественные транзисторы имеют а > 0,99, тогда р > 100.

В режиме насыщения происходит двусторонняя инжекция неосновных носителей через оба перехода, которые смещены в прямом направлении. В этом случае ток базы будет больше по сравнению с нормальным, или активным режимом (НАР), поскольку из-за инжекции носителей из базы в коллектор и из коллектора в базу происходит дополнительная рекомбинация носителей и /Б > (1 - а)/э для схемы с ОБ или р/Б > /к для схемы с ОЭ.

В режиме отсечки на оба перехода подаются обратные напряжения и через переходы протекают обратные токи /эБО и /кво. Поскольку площадь и толщина коллекторного перехода больше, чем эмиттерного (степень легирования эмиттерной области много больше, как правило, чем коллекторной), то /КБО ^ /Эбо*

Рассмотренные коэффициенты передачи токов зависят от всех составляющих токов, протекающих во всех цепях транзистора, поэтому схи(3 будут изменяться как функции тока эмиттера, напряжения на коллекторе, температуры и т. д.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >