7.Структура и режимы работы биполярного
транзистора.
Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей полупроводника с чередующимися типами проводимости, разделенными р-п-переходами. Из-за близкого расположения р-п-переходов между ними существует взаимодействие. Каждая область транзистора выполняет определенную функцию, поэтому концентрации легирующих примесей в них и названия областей различны.
Средняя область транзистора, расположенная между двумя р-п-переходами, называется базой (B). Одна из крайних областей с наивысшей концентрацией легирующей примеси называется эмиттером (E). Основным назначением эмиттера является инжекция неосновных носителей заряда в область базы. Соответствующий р-п-переход называют эмиттерным. Инжектированные в базу носители диффундируют в сторону третьей области, называемой коллектором (C). Основным назначением коллектора является собирание инжектированных эмиттером носителей заряда. Соответствующий р-п-переход, расположенный между базой и коллектором, называют коллекторным.
Существуют два типа биполярных транзисторов: п-р-п и р-п-р. Буквы обозначают тип проводимости эмиттерной, базовой и коллекторной областей соответственно. Символическое изображение транзисторов разных типов приведено на рис. 3.18. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока.
Рис. 3.18. Символическое изображение транзисторов:
а - n-p-n-типа; б -
p-n-p-типа
При анализе работы биполярного транзистора ограничим наше рассмотрение приборами п-р-п-типа, которые в настоящее время используются гораздо чаще, имеют лучшие характеристики и большее усиление, особенно в интегральных схемах. Транзисторы р-п-р-типа по принципу действия ничем не отличаются от п-р-п-транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений.
Известны три схемы включения биполярных транзисторов в электрическую цепь, при которых возможно усиление электрической мощности: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК), которые приведены на рис. 3.19 для транзистора п-р-п-типа. Кроме того на рис. 3.19 показаны внешние источники напряжений и токи, протекающие через транзистор, в нормальном режиме работы.
Любая из схем включения обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому выбор схемы включения транзистора в каждом конкретном случае зависит от требуемых условий. На практике чаще всего используется схема включения с общим эмиттером (ОЭ), которая позволяет получать наибольшее усиление по мощности.
.
а) б) в)
Рис. 3.19. Схемы включения транзистора:
а - схема ОБ; б - схема ОЭ; в -
схема ОК
Структура дискретного биполярного п-р-п-транзистора приведена на рис. 3.20.
Рис. 3.20. Структура дискретного
биполярного n-p-n-транзистора
Результирующее распределение примесей в областях транзистора (сплошная линия) распределения примесей при базовой и эмиттерной диффузиях (пунктирные линии) показаны на рис. 3.21.
Рис. 3.21. Распределение примесей в дискретном
биполярном
n-p-n-транзисторе
Здесь 
и 
- поверхностные концентрации примесей при эмиттерной и базовой диффузиях, а 
- концентрация
примеси в коллекторной области, выполненной методом эпитаксии. Эмиттер
представляет собой сильнолегированную область, о чем свидетельствует знак "+" при
обозначении типа проводимости эмиттернорного слоя - 
. У реальных транзисторов площади р-п-переходов существенно
различаются. Эмиттерный переход имеет значительно
меньшую площадь, чем коллекторный.
Каждый из р-п-переходов транзистора имеет донную и боковые части. Рабочей или активной областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттерного перехода (на рис. 3.20 эта область заштрихована). Остальные участки, наличие которых обусловлено технологическими причинами, являются пассивными.
Идеализированная структура биполярного
п-р-п-транзистора
для его активной области приведена на рис. 3.22. Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой щириной базы 
, которая у современных транзисторов, как правило не превышает 1 мкм.
Рис. 3.22. Идеализированная структура биполярного
n-p-n-транзистора
Внешние напряжения 
и 
создают
соответствующие смещения на переходах. В зависимости от полярности напряжений и различают
четыре режима работы транзистора (рис. 3.23):
Рис. 3.23. Режимы работы n-p-n-транзистора
1) нормальный (активный) режим, когда на эмиттерном переходе действует прямое смещение, а на коллекторном - обратное;
2) инверсный режим, когда на эмиттерном переходе действует обратное смещение, а на коллекторном - прямое;
3) режим двойной инжекции (насыщения), когда на оба перехода поданы прямые смещения;
4) режим отсечки (запирания), когда на оба перехода поданы обратные смещения.
В режимах двойной инжекции и отсечки управление транзистором практически отсутствует. В нормальном режиме управление транзистором осуществляется наиболее эффективно. Только работая в нормальном режиме, транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы, т. е. усиливать, генерировать, переключать электрические сигналы и т. д.
Основные свойства транзистора определяются процессами, происходящими в базе. Существенное влияние на работу транзистора оказывает распределение легирующей примеси в базе. Если примесь в базе распределена равномерно (однородная база), то в ней отсутствует внутреннее поле и движение носителей заряда имеет чисто диффузионный характер. При неравномерном распределении примеси в области базы (неоднородная база) в ней возникает внутреннее электрическое поле, а значит, появляется дополнительная дрейфовая составляющая в движении носителей заряда. При этом необходимо так распределить примесь в базе, чтобы внутреннее поле способствовало движению носителей заряда от эмиттера к коллектору. Это возможно в случае уменьшения концентрации некомпенсированной примеси в базе в направлении от эмиттера к коллектору (см. рис. 3.21.).
Принцип работы биполярного транзистора заключается в управлении током через обратно смещенный коллекторный переход. Известно, что в обратно смещенном р-п-переходе ток очень мал и определяется только неосновными носителями заряда, которые генерируются в области объемного заряда или вблизи нее. Однако при появлении у границ такого перехода дополнительных источников неосновных носителей ток через обратносмещенный переход увеличивается. Такими источниками, например, могут быть частицы высокой энергии, попадающие при внешнем излучении в диодные фотоприемники или датчики излучения.
Другой способ увеличения концентрации неосновных носителей заряда около обратно смещенного p-n-перехода заключается в размещении в непосредственной близости от него другого p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. Данный способ особенно удобен, так как обеспечивает электрическое управление концентрацией неосновных носителей, т. е. управление ею с помощью напряжения смещения, приложенного к этому прямо смещенному переходу.
Такая модуляция тока в одном
p-n-переходе с помощью
изменения напряжения смещения другого перехода, расположенного рядом с ним,
называется механизмом работы биполярного
транзистора. Эта одна из самых важных идей во всей истории развития
электронных приборов. За исследования, в
результате которых эта идея была разработана и реализована, изобретатели
биполярного плоскостного транзистора Уильям Шокли,
Джон Бардин и Уолтер Браттейн
были удостоены Нобелевской премии по физике в