Фізичні процеси в біполярних транзисторах

Розглянемо на рис. 24 роботу транзистора n-p-n у режимі без навантаження, коли включені тільки джерела живлення Е1 й Е2 (емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, а колекторний - у зворотному).

Принцип роботи транзистора полягає в тім, що пряма напруга емітерного переходу, тобто ділянки база - емітер, істотно впливає на струми емітера й колектора: чим більше ця напруга, тим більше струми емітера й колектора.

Таким чином, вхідна напруга, керує струмом колектора. Підсилення електричних коливань за допомогою транзистора засновано саме на цьому явищі.

Рис. 24. Рух електронів і дірок у транзисторі типу п-р-п

Фізичні процеси в транзисторі відбуваються в такий спосіб. При збільшенні прямої вхідної напруги U_БЕ (Е_ЕБ) знижується потенційний бар’єр в емітерному переході й відповідно зростає струм через цей перехід — струм емітера i_Е. Електрони цього струму інжектуються з емітера в базу і завдяки дифузії проникають крізь базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора. Колекторний перехід працює при зворотній напрузі, тому в цьому переході виникають об'ємні заряди, показані на рисунку кружками зі знаками «+» й «-». Між ними виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (тобто екстракції) через колекторний перехід електронів, що прийшли сюди з емітера, тобто втягує електрони в область колекторного переходу.

Якщо товщина бази досить мала й концентрація дірок у ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази й досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує у базі з дірками. У результаті рекомбінації виникає струм бази. Дійсно, у сталому режимі число дірок у базі повинне бути незмінним. Внаслідок рекомбінації щосекунди частина дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде таке ж число електронів в напрямку до плюса джерела Е₁.

Оскільки струм колектора менше струму емітера, то відповідно до першого правила Кірхгофа завжди існує наступне співвідношення між струмами: .

Струм бази є марним і навіть шкідливим. Бажано, щоб він був якнайменше. Звичайно вінстановить малу частку від струму емітера, тобто i_Бi_Е, а отже, струм колектора лише незначно менше струму емітера й можна вважати i_К i_Е. Саме для того, щоб струм i_Б, був якнайменше, базу роблять дуже тонкою й зменшують у ній концентрацію домішок (тому значно менше електронів буде рекомбінувати у базі з дірками).

Якби база мала значну товщину й концентрація дірок у ній була велика, то більша частина електронів емітерного струму, дифундуючи через базу, рекомбінувала б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.

Коли до емітерного переходу напруга не прикладена, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. У цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, тому що основні носії зарядів віддаляються від цього переходу й по обох сторонах від границі створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з р-області й дірок з n-області.

Але якщо під дією вхідної напруги виник значний струм емітера, то в область бази з боку емітера інжектуються електрони, які для даної області є неосновними носіями. Не встигаючи рекомбінувати із дірками при дифузії через базу, вони доходять до колекторного переходу. Чим більше струм емітера, тим більше електронів приходить до колекторного переходу й тем менше стає його опір.

Відповідно збільшується струм колектора. Інакше кажучи, зі збільшенням струму емітера в базі зростає концентрація неосновних носіїв, інжектованих з емітера, а чим більше цих носіїв, тим більше струм колекторного переходу, тобто струм колектора.

Слід зазначити, що емітер і колектор можна поміняти місцями (інверсний режим). Але в транзисторах, як правило, колекторний перехід робиться зі значно більшою площею, ніж емітерний, тому що потужність, що розсіюється в колекторному переході, набагато більша, ніж та, що розсіюється у емітерному. Тому якщо використовувати емітер як колектор, то транзистор буде працювати, але його можна застосовувати тільки при значно меншій потужності, що недоцільно. Якщо площі переходів зроблені однаковими (транзистор в цьому випадку називають симетричним), то кожна із крайніх областей може з однаковим успіхом працювати в якості емітера або колектора.

Розглянуті фізичні явища для транзистора типу п-р-п аналогічні й процесам, що відбуваються в транзисторі типу р-п-р, але в ньому міняються ролями електрони й дірки, а також змінюються полярності напруг і напрямок струмів. У транзисторі типу р-п-р з емітера в базу інжектуються не електрони, а дірки, які є для бази неосновними носіями. Із збільшенням струму емітера все більше таких дірок проникає через базу до колекторного переходу. Це викликає зменшення його опору й зростання струму колектора.

При підвищенні напруги на колекторному переході в ньому відбувається лавинне розмноження носіїв заряду (головним чином результат ударної іонізації). Це явище й тунельний ефект здатні викликати електричний пробій (первинний – лавинний пробій), що при зростанні струму може перейти в тепловий пробій переходу. Електричний і тепловий пробій колекторного переходу в транзисторі відбувається в основному так само, як й у діоді. Але в транзисторі при надмірному колекторному струмі може виникати тепловий пробій без попереднього електричного пробою, тобто без підвищення напруги на колекторному переході до пробивного. Це явище пов'язане з перегрівом колекторного переходу в якійсь його частині та одержало назву вторинного пробою.

Зміна напруг на колекторному та емітерному переходах супроводжується зміною товщини цих переходів. У результаті змінюється товщина бази. Таке явище називають модуляцією товщини бази. Його особливо треба враховувати при підвищенні напруги колектор — база, тому що тоді товщина колекторного переходу зростає, а товщина бази зменшується. При дуже тонкій базі може відбутися ефект змикання (“прокол” бази), тобто з’єднання колекторного переходу з емітерним. У цьому випадку область бази зникає, і транзистор перестає нормально працювати.

При збільшенні інжекції носіїв з емітера в базу відбувається нагромадження неосновних носіїв заряду в базі, тобто збільшення концентрації й сумарного заряду цих носіїв. Навпаки, при зменшенні інжекції відбувається зменшення концентрації й сумарного заряду неосновних носіїв у ній. Цей процес називаютьрозсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.