Биполярный транзистор

Два р - n-перехода разделяют три области, называемые эмит­тером, базой и коллектором. В зависимости от того, какой приме­сью легированы эти области, принято различать транзисторы типа n - р - nлибо р - n - р.На рис. 2.5 представлен тип n - р- n,кото­рый используются гораздо чаще, имеет лучшие эксплуатацион­ные характеристики в области высоких частот и большее усиле­ние при одной и той же концентрации примесей и одинаковой геометрии.

Это объясняется большей подвижностью электронов по срав­нению с дырками. Крайний слой с меньшей площадью, называе­мый эмиттером, легирован гораздо сильнее, чем второй n-слой,называемый коллектором.Средний слой транзистора называется базой.Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным пере­ходами обеспечивается малой шириной базы (у современных тран­зисторов - менее 0,1 мкм). Если база однородная, то движение носителей в ней чисто диффузионное (такие транзисторы назы­ваются бездрейфовыми). Если база не однородная, то в ней име­ется внутреннее электрическое поле; движение носителей - ком­бинированное - диффузия сочетается с дрейфом (такие транзис­торы называются дрейфовыми).

Аналогом изображенной на рис. 2.5 двухмерной схемы является изображенная на рис. 2.6 электрическая схема биполярного тран­зистора, работающего в активной области. Источники напряже­ния подключены таким образом, что транзистор работает в ак­тивном режиме при нормальном включении: источник смеща­ет переход эмиттер - база в прямом направлении, а источник смещает переход коллектор-база в обратном направлении. В прин­ципе возможны еще несколько режимов: инверсный активный режим (аналогичный нормальному активному, но с взаимной переменой мест коллектора и эмиттера); режим отсечки (оба на­пряжения являются обратными) и режим насыщения (оба пере­хода смещены в прямом направлении).

В активном нормальном режиме работы транзистора потенци­ал вызывает инжекцию электронов из эмиттера в область базы, которая располагается между границами и обедненных областей р-n-переходов. В активной области базы происходит диф­фузия электронов, причем в базе дрейфового транзистора вместе с диффузией происходит дрейф неосновных носителей заряда под действием внутреннего поля. Часть электронов рекомбинирует с дырками, но большая их часть проходит через базу и достигает того участка, где источник напряжения , включенный в обрат­ном направлении, создает сильное электрическое поле, ускоряю­щее носители по направлению к коллектору.

Для обеспечения эффективности этого процесса активная об­ласть базы должна быть существенно меньше диффузионной дли­ны носителей, которая для электронов в базе составляет пример­но 10 мкм. Процесс усиления происходит следующим образом. Вследствие малости концентрации легирующей примеси в базе инжекция дырок из базы в эмиттер приводит к возникновению лишь небольшого дырочного тока, протекающего через вывод базы. С помощью этого малого тока можно управлять гораздо большим током коллектора (работа транзистора основана на существова­нии носителей заряда обоих знаков).

Поскольку напряжение является обратным, уровень импе­данса (полного сопротивления), относящегося к этой части цепи, оказывается существенно выше того уровня, который связан с источником По этой причине транзистор является элементом цепи, создающим усиление по напряжению. Коэффициент пере­дачи по току от эмиттера к коллектору оказывается немного меньше единицы. В активном режиме работу транзистора можно оцени­вать также крутизной характеристики, которая определяется пу­тем измерения приращения тока на выходе в зависимости от из­менения напряжения на входе. Для углубленного анализа работы транзистора применяют различные физические модели: Молла-­Эберса; интегральную зарядовую модель Гуммеля - Пуна; гибрид­ную π-модель; низкочастотную и высокочастотную модели и др. Схема, приведенная на рис. 2.5, соответствует, скорее, дискрет­ному элементу. Схема биполярного транзистора в планарном ис­полнении приведена на рис. 2.7 в упрощенном виде.

Когда напряжение соответствующей величины приложено к выводам коллектора, эмиттера и базы, электроны начинают пе­ремещаться. (На рис. 2.7 представлен тип n-р-n, который используется гораздо чаще, имеет лучшие эксплуатационные харак­теристики в области высоких частот.) При увеличении разности потенциалов между базой и эмиттером возрастают электронный и дырочный токи. Если знак разности потенциалов поменять на об­ратный (подать «минус» на базу), то между слоями базы и эмитте­ра образуется обратносмещенный р- n-переход и ток не течет.

Изолирующий слой является аналогом охранного кольца и слу­жит для предотвращения взаимного влияния друг на друга рядом расположенных элементов микросхемы. Современный биполярный транзистор может содержать 15 и более различных технологических слоев, соответственно для его изготовления необходимо не мень­шее число технологических операций. Поэтому в технологии мик­росхем все большее применение находит полевой транзистор, ко­торый является более технологичным в массовом производстве.

Поиск по сайту: