§ 2.7. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими -переходами и тремя выводами или более, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя -переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n-типов.

Транзисторы, в которых p-n-переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными.

Физические процессы в транзисторах.

Упрощенная структура плоскостного показана на рис. 2.18, я, условные обозначения р-n-р- и — на рис. .

При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, к другому — обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой — эмиттером (Э); средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой — коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рис. 2.19.

Рис. 2.18. Упрощенная структура плоскостного транзистора (а) и его условные обозначения с указанием направления токов при работе в нормальном активном режиме (б)

Рис. 2.19. Структуры транзисторов: а - сплавного; б - эпитаксиально-диффузионного; в - планарного; г - мезатранзистора; 1 - база; 2 - эмитер; 3 - коллектор (эпшаксиальная пленка); 4 - подложка

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Понятие «диффузионный транзистор» отражает основные процессы, происходящие в базе, поэтому его не следует путать с технологическим процессом получения p-n-переходов.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу — относительно высокоомной (десятки — сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора.

Все положения, рассмотренные ранее для единичного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый p-n-переход, и результирующие токи равны нулю.

При подключении к электродам транзистора напряжений эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через p-n-переход в область базы (инжекция дырок), а электроны — из области базы в область эмиттера.

Рис. 2.20. Схема движения носителей заряда в транзисторе

Так как удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей заряда преобладает над электронным. Поэтому последним в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока -перехода используют коэффициент инжекции

где — дырочная и электронная составляющие тока p-n-перехода; — полный ток p-n-перехода.

Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи p-n-перехода электрический заряд, который в течение времени компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника Аналогично, заряд электродов в эмиттере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток , который направлен из базы.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных транзисторах) и разности концентраций и внутреннего электрического поля (в дрейфовых) инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсировавшие их заряд и тем самым обеспечившие электронейтральность базы, движутся в глубь ее по направлению к коллектору. Если бы база была достаточно толстой , то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней и в области, прилегающей к коллекторному p-n-переходу, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного p-n-перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины, т. е. . Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения ими базы.

Большинство дырок, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного p-n-перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток , направленный в базу транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n-перехода несколько больше тока коллекторного -перехода. Относительное число неосновных носителей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, характеризуется коэффициентом переноса

где — концентрация дырок, прошедших через коллекторный и эмиттерный переходы; — токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через запертый коллекторный p-n-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации , они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода и ток эмиттера был бы равен току коллектора. В действительности только часть у тока эмиттера составляют дырки и только часть их доходит до коллекторного перехода. Поэтому ток коллектора, вызванный инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный переход, равен

где коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неосновными носителями заряда, через p-n-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток . Причины его возникновения те же, что и в единичном p-n-переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному — переходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора.

Рис. 2.21. Эквивалентная схема идеализированного транзистора

Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному p-n-переходу приложить напряжение, изменяющее по этому закону ток эмиттера.