Теория биполярных транзисторов

В отличие от рассмотренных ранее пассивных элементов микроэлектроники, биполярный транзистор (бпт) является активным (усилительным) прибором и включает два последовательно соединенных p-n перехода в виде p-n-p или n-p-n структур. Принципиальных физических отличий в этих структурах нет. Физическое содержание структуры бпт определяется соответствующей терминологией - такие структуры представляют в виде «эмиттер (э) – база (б) – коллектор (к)». Физический смысл первых терминов этой структуры (э –б) рассмотрен ранее в теории p-n перехода. Физический смысл термина «коллектор» является специфическим именно для бпт и рассматривается ниже.

В основе физики работы бпт лежат рассмотренные ранее свойства p-n перехода. Рассмотрим работу бпт на примере p-n-p структуры. В стандартном рабочем режиме p-n переход «эмиттер – база» (эб) смещен в прямом направлении, а n-р переход «база – коллектор» (бк) - в обратном. Прямое смещение перехода эб вызывает инжекцию дырок из эмиттера в базу. Обычно переход эб является несимметричным (р_э ññ n_б ), поэтому обратный процесс (инжекция электронов из базы в эмиттер) существенного значения не имеет. Таким образом в переходе эб рабочим является диффузионный ток дырок или эмиттерный ток Iэ. В базе некоторая (относительно небольшая) часть инжектированных дырок, как неосновных носителей заряда, рекомбинирует, образуя базовый дрейфовый ток Iб. При выполнении необходимого для эффективной работы бпт условия W á á Lр, где W – толщинабазы, Lр -диффузионная длина дырок, большая часть дырок в базе доходит до обратно смещенного перехода бк и подхватывается его полем, образуя обратный дрейфовый коллекторный ток Iк _. Отсюда понятны физический смысл термина «коллектор» (собиратель) и термина «биполярный» (двухполярный), который характеризует двойственный характер токов основных и неосновных носителей заряда в соответствующих областях структуры бпт.. Необходимо отметить, что в отличие от обычного p-n перехода, в котором обратный ток I₀ весьма мал вследствие малой концентрации свободных носителей заряда в прикотактном слое, обратный коллекторный ток в бпт является значимым и почти равен эмиттерному току (за вычетом относительно малого базового тока). Такой эффект объясняется тем, что в базе за счет процессов инжекции наблюдается повышенная концентрация неосновных носителей заряда – дырок.

Таким образом, в бпт существует баланс токов: Iэ = Iк + Iб. Такой баланс позволяет использовать две схемы включения бпт в схемотехническом смысле. Первая и основная с физической точки зрения схема – схема с общей базой (ОБ) – подразумевает использование в качестве входного (управляющего) параметра ток эмиттера Iэ, а в качестве выходного (управляемого) – ток коллектора Iк. В такой схеме выходной Iк и входной Iэ токи почти совпадают, поэтому бпт в схеме ОБ не может быть усилителем тока. Но, входное сопротивление прямо смещенного перехода эб много меньше выходного сопротивления обратно смещенного перехода бк: r_эб á á r_бк . Поэтому входное напряжение Uвх = I_эr_эб оказывается меньше выходного Uвых = I_кr_бк, т.е. Uвых ññ Uвх_. Таким образом, бпт в схеме ОБ является усилителем напряжения.

Вторая схема – схема с общим эмиттером (ОЭ) - – подразумевает использование в качестве входного (управляющего) параметра ток базы Iб, а в качестве выходного (управляемого) – ток коллектора Iк. В такой схеме входной ток Iб значительно меньше выходного Iк: Iб á á Iк, поэтому бпт в схеме ОЭ является усилителем тока. Обратим внимание на то, что бпт во всех схемах включения является прибором, управляемым током (Iэ или Iб).

Основные физические параметры бпт отражают рассмотренный выше принцип его работы, в частности токовые механизмы при взаимодействии двух p-n переходов, и включают следующие коэффициенты.

Коэффициент инжекции, характеризующий эффективность (условно – кпд – коэффициент полезного действия) перехода эб в виде n = dIpэ/dIэ,

где dIpэ – полезнаядырочная составляющаяэмиттерного тока; dIэ = dIрэ + dInэ – полный эмиттерный ток, включающий дырочную dIрэ и электронную dInэ составляющие. Так как вследствие нессиметричного характера перехода эб dIрэ ññ dInэ, то коэффициент инжекции n оказывается близким к 1 (ориентировочно n =0,999).

Коэффициент переноса, характеризующий эффективность (условно – кпд) перехода бк в виде c = dIк/dIрэ, где dIк = dIрэ – dIрб – коллекторный ток. Так как dIрэ ññ dIрб, то коэффициент переноса c оказывается близким к 1 (ориентировочно c =0,999).

Коэффициент передачи тока в виде a = dIк/dIэ = n c, характеризующий эффективность всей структуры бпт с физической точки зрения и определяющий смысл бпт как активного элемента – усилителя тока или напряжения в зависимости от схемы включения - со схемотехнической точки зрения. Очевидно, что коэффициент передачи тока a оказывается близким к 1 (ориентировочно a =0,99).

На основе рассмотренных коэффициентов представим более подробно, но в первом приближении основные токовые соотношения бпт для схем включения ОБ и ОЭ.

Схема ОБ. Iэ = Iэ₀ [exp(Uэб/j_т)-1] – токовое уравнение прямо смещенного перехода эб (см. теорию p-n перехода), Iк = aIэ + Iк₀ – токовое уравнение обратно смещенного перехода бк с учетом коэффициента передачи a, Iб = Iэ – Iк.

Схема ОЭ. В первом приближении (без учета Iк₀ ) Iк = Iэ – Iб = b Iб, где b = a/(1-a) - коэффициент усиления по току в схеме ОЭ. Очевидно, что b ñ 1, что подтверждает схемотехнический смысл схемы ОЭ как усилителя тока (напомним, что схема ОБ является усилителем напряжения).

На основе рассмотренных токовых соотношений представим ВАХ бпт. Со схемотехнической точки зрения бпт является активным четырехполюсником (см. литературу), поэтому он характеризуется входными и выходными ВАХ. Рассмотрим ВАХ в схеме ОБ. Входные ВАХ вида Iэ(Uэб) определяются токовым уравнением Iэ = Iэ₀ [exp(Uэб/j_т)-1] и соответствуют прямой ветви ВАХ p-n перехода (см. Рис. 1). Выходные ВАХ, точнее семейство в ыходных ВАХ вида Iк(Uбк) в зависимости от Iэ определяются токовым уравнением Iк = aIэ + Iк₀ + Uк/r_бк , где Uк – внешнее напряжение, приложенное к коллектору. Математическая структура последнего токового уравнения и условия aIэ ññ Iк₀ , aIэ ññ Uк/r_бк определяют графическую форму семейства выходных ВАХ как семейство прямых, почти параллельных оси Uк при различных значениях Iэ. Более подробное входные и выходные ВАХ бпт необходимо изучить при выполнении курсовой работы. Входные и выходные ВАХ бпт в схеме ОЭ отличаются смещением вправо по соответствующим осям Iэ, Uк (см. литературу).

Эквивалентная Т-образная электрическая схема бпт (в схеме ОБ, отражающей его физические свойства) представляет сочетание эквивалентных схем p-n перехода при прямом и обратном смещении, соответствующем переходам эб, бк с учетом эффектов их взаимодействия (Рис.2). В этой схеме условно не показаны емкости соответствующих переходов – диффузионная Сэ, подключенная параллельно r_э и барьерная Ск, подключенная параллельно r_к.

Рис.2.

Расчетные формулы параметров эквивалентной схемы в зависимости от физических свойств и основных режимов смещения и управления бпт представлены в методических указаниях к выполнению курсовой работы (см. приложение). Рассмотрим физический смысл параметров эквивалентной схемы бпт.

r_э – характеризует дифференциальное сопротивление прямо смещенного перехода эб (см. теорию p-n перехода).

Сэ – в схеме(рис.2) условно не показана - характеризует диффузионную емкость прямо смещенного перехода эб (см. теорию p-n перехода).

m _эк - коэффициент обратной связи по напряжению – характеризует один из эффектов взаимодействия переходов эб–бк -эффект модуляции толщины базы, определяющий изменение (увеличение) области объемного заряда обратно смещенного перехода бк при изменении (увеличении) обратного напряжения Uк (эффект экстракции – см теорию p-n перехода), и его влияние на входную цепь бпт.

r_б – характеризует омическое полупроводниковое сопротивление тела базы, т. е. области базы между областями инжектированных и объемных зарядов переходов эб и бк соответственно.

Iк₀ – обратный ток перехода бк (см теорию p-n перехода).

a - физический смысл рассмотрен выше – характеризует основной (прямой) эффект взаимодействия переходов эб–бк.

r_к – дифференциальное сопротивление перехода бк – отличается от статического сопротивления обратно смещенного p-n перехода наличием семейства выходных ВАХ, т. е. влиянием Iэ на Iк.

Ск -в схеме(рис.2) условно не показана - характеризует барьерную емкость обратно смещенного перехода бк (см. теорию p-n перехода).

Представленная на Рис.2 эквивалентная схема и ее элементы с учетом Сэ и Ск, во-первых, отражают электрофизические свойства бпт, во-вторых, определяют статические, импульсные и частотные свойства бпт в микроэлектронных схемах. Более подробно об этих свойствах – см. литературу. Среди разновидностей биполярных приборов следует выделить приборы типа p-n- p-n (динисторы и тиристоры). Особенностью таких структур является S -образная форма ВАХ. Такие ВАХ обладают участком отрицательного сопротивления и используются в качестве элементов генераторов и переключателей (подробнее – см. литературу).

Дата добавления: 2015-07-25