БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

PAGE 1

Лк 5

1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.

1.1 Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко - на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа

n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.

а)	б)
Рисунок 3.1 Структуры БТ.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n1+-p меньше, чем у перехода n2-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n1 с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2).

Рисунок 3.2 Структура реального БТ типа n-p-n.

Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n+). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n1+) называется эмиттером, а область n2 - коллектором. Соответственно область (p) называется базовой (или базой). Правая область n+ служит для переход n1+-р называют эмиттерным, а n2-p коллекторным. Средняя снижения сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э - эмиттер; Б - база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой - дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)	б)	в)
Рисунок 3.3 Схемы включения БТ.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер - база UЭБ), а на коллекторном переходе - обратное (напряжение коллектор - база UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Рисунок 3.4 Физические процессы в БТ.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название “коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный -обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания UЭБ и UКБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (UЭБ = -UБЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов UКБ = UКЭ + UЭБ. Так как UЭБ = -UБЭ, тo UКБ = UКЭ - UБЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным - в другом случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: UКБ = -UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ = UЭК + UКБ = UЭК - UБК, при этом правило знаков прежнее.

1.2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном

транзисторе при работе в активном режиме.

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение UЭБ. Поэтому прямой ток перехода

, (3.1)

где Iэ р, Iэ n - инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а Iэ рек - составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода Iэ в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие Iэр и Iэn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода. Если вклад Iэ рек незначителен, то вместо (3.1) можно записать

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток Iэ р, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера Iэ n и Iэ рек протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты Iэ n, Iэ рек должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током Iэ рек

. (3.4)

Коэффициент инжекции Э "тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение Iэ n/ Iэ р. Величина Iэ n/ Iэ р << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора NАЭ на несколько порядков выше концентрации доноров NДБ в базе (NАЭ >> NДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток IЭр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок - неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок IБ рек, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами - основными носителями базовой области. Ток IБ рек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток IБ рек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей IЭ n.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров Nд Б. Это совпадает с требованием NАЭ/NДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы WБ и диффузионной длины дырок в базовой области Lp Б. Доказано, что имеется приближенное соотношение

. (3.7)

Например, при WБ/Lp Б = 0,1 Б = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

(3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

, (3.9)

где

. (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называет статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую IКБО, которая протекает в цепи коллектор - база при IЭ = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (IК - IКБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, IКр. Обычно рабочие токи коллектора IК значительно больше IКБО, поэтому

. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, IК и IБ принципиально меньше тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы

. (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (IЭ = 0, холостой ход), то IБ = -IКБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I*Э = IКБО /(1-) ток IБ = 0, а при дальнейшем увеличении IЭ (IЭ>I*Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь IК с IБ. Используя (3.11) и (3.15), получаем

, (3.18)

где

(3.19)

- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение обычно близко к единице, то может быть очень большим (>>1). Например, при = 0,99 = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (IК - IКБО) к управляемой части базового тока (IБ + IКБО).

Все составляющие последнего выражения зависят от IЭ и обращаются в нуль при IЭ = 0. Введя обозначение

, (3.21)

можно вместо (3.18) записать

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭО: это значение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ = 0) или при “обрыве” базы. При IБ = 0

IК = IЭ, поэтому ток IКЭО проходит через все области транзистора и является “сквозным” током, что и отражается индексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие IБ = 0).

2 Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

2.1 Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость IЭ = f(UЭБ) при фиксированных значениях параметра UКБ - напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

а)	б)
Рисунок 3.5 Входные (а) и выходные (б) характеристики БТ в схеме включения с ОБ

При UКБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С ростом обратного напряжения UКБ (UКБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: IЭ растет при выбранном значении UЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (IЭ = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение UЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при UКБ < 0 и UЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера IЭ0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении UЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости IК = f(UКБ) при заданных значениях параметра IЭ (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при IЭ = 0 и обратном напряжении |UКБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) IК = IКБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор - база.

При IЭ > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при UКБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине (например, точка А' на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток IЭ, тем большее прямое напряжение UКБ требуется для получения IК = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где UКБ < 0 (обратное) и параметр IЭ > 0 (что означает прямое напряжение UЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) IК = IЭ + IКБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра IЭ. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока можно считать постоянным, не зависящим от значения |UКБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (IК = const). Реально же эффект Эрли при росте |UКБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту . Так как значение близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

3. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты ) рекомендуется следующее.

1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в базовой области, т.е.

а) уменьшать ширину базовой области WБ;

б) создавать n-р-n транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем у дырок, примерно в 2 раза;

в) использовать германиевые БТ, так как в германии подвижность носителей выше. Еще большие возможности открывает использование арсенида галлия.

Создавать ускоряющее поле в базовой области для инжектированных из эмиттера носителей. Последнее возникает при неравномерном распределении примесей в базе по направлению от эмиттера к коллектору (рисунок 3.12). Концентрацию около эмиттера делают примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.

Рисунок 3.12 К образованию электрического поля в базе дрейфого БТ.

Появление поля объясняется просто. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей Na(х) одновременно будет и распределением дырок p(х). Под влиянием градиента концентрации дырок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтральности: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора - избыток положительного заряда дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него.

Нарушение электрической нейтральности приводит к появлению внутреннего электрического поля в базовой области (минус у эмиттера, плюс у коллектора). Появляющееся поле, в свою очередь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, когда дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются. Легко видеть, что установившееся (равновесное) значение поля будет ускоряющим для электронов, которые входят в рабочем режиме из эмиттера в базу и будут уменьшать их время пролета, т.е. повышать предельную частоту БТ.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные - бездрейфовыми. Практически все современные высокочастотные и сверхвысокочастотные БТ являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при

экспоненциальном законе убывания концентрации акцепторов от Nа(0) до Nа(WБ) учитывается коэффициентом неоднородности базы:

=0,5lnNА(0)/NА(WБ)

Поэтому [см. (5.93)] можно написать

Для бездрейфовых транзисторов=0 , а типичные значения для дрейфовых транзисторов .

3. Уменьшать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов путем уменьшения сечения областей транзистора и увеличения ширины переходов (выбором концентрации примесей и рабочего напряжения).

4. Уменьшать омическое сопротивление областей базы rББ.

5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторного перехода.

Следует отметить, что ряд требований несовместимы и необходимо при создании транзисторов применять компромиссные решения.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ