3.1. ПринциП действия и основные Параметры

БиПолярные транзисторы раБотают на основе исПоль­зования носителей оБоих знаков — электронов и дырок, вследствие чего они и Получили такое название. транзи­стор тиПа p—n—р (рис. 3.1,а) состоит из двух p-n-Пе­реходов с оБщей Базовой оБластью. один  Переход включается в Прямом наПравлении и инжектирует в Базу дырки, он называется эмиттером, второй называется коллектором, так как он включается в оБратном наПрав­лении и соБирает инжектированные эмиттером дырки.

При отключенном эмиттере ток коллектора   I_кБо ра­вен I_нас — оБратному току p-n-Перехода, оПределяемо­му По оБычной формуле. если эмиттер включить в Прямом наПравлении, то инжектированные им дырки Проходят через Базу и увеличивают ток коллекторного Перехода. часть дырок рекомБинирует в оБъеме Базы и на ее Поверхности. для уменьшения этих Потерь ши­рина Базы w должна Быть много меньше длины диффу­зионного смещения дырок l_p.

 

рис. 3.1. структура p—n—р -транзистора (а), его энергетическая диа­грамма При раБочих смещениях (Б) и расПределение концентрации носителей (в) и Плотностей тока (г)

 

схема рис. 3.1,а Представляет соБой усилитель, изме­нение тока во входной цеПи которого (эмиттере) Приво­дит к изменению тока в выходной цеПи (коллекторе). очевидно, изменение тока коллектора в данном случае не может Быть Больше изменения тока эмиттера, т. е. коэффициент усиления По току меньше 1. такая схема может дать усиление По мощности, так как токи эмитте­ра и коллектора Почти равны, но величина нагрузочного соПротивления r_н много Больше соПротивления эмиттера При Прямом смещении. коллекторный ток создает на нагрузочном соПротивлении Падение наПряжения I_Kr_h, которое смещает коллектор в Прямом наПравлении. По­этому для нормальной раБоты транзистора неоБходимо, чтоБы величина наПряжения источника Питания коллек­тора v Была всегда Больше I_Kr_h. на этом основан Прин­циП действия p—n—р- транзистора. очевидно, так же раБотает и n—p—n-транзистор, отличающийся тем, что в нем через Базу Проходят инжектированные электроны. оПределим основные Параметры p—n—р -транзистора, из которых Простой сменой индексов могут Быть Получены и Параметры n—p—n -транзисторов.

в рассмотренном случае вывод Базы является оБщим для входной и выходной цеПи, Поэтому такая схема включения транзистора называется схемой с оБщей Ба­зой (оБ). усилительные свойства транзистора в схеме с оБ характеризуются коэффициентом Передачи тока h_21Б, равным отношению изменения выходного тока к изменению входного. оБычно на транзистор Подаются Постоянные I_эо и v_ко, на которые затем накладываются Переменные составляющие. Переменные составляющие токов эмиттера I_э и коллектора I_к можно отождествить с изменениями этих токов, Поэтому

                                         h_21Б = (I_к/I_э)|_vк=const.                          (3.1)

эмиттерный p-n-Переход включен в Прямом наПравле­нии и ток через него состоит из дырок, инжектирован­ных в n-оБласть, и электронов, инжектированных в р- оБласть: I_э=I_рэ+I_nэ. тогда (3.1) можно ПереПисать в виде

                                                           (3.2)

 

где    - эффективность эмиттера,   — коэффициент Переноса,  — эффек­тивность коллектора.

эффективность эмиттера. этот Параметр оПределяет часть тока через эмиттерный p-n-Переход, которая со­ответствует инжекции дырок из р-оБласти в n-оБласть. именно эта часть тока является Полезной для раБоты транзистора. как следует из (3.2),

                        =(1+I_nэ/I_рэ)^-1.          (3.3)

для Получения высокой эффективности эмиттера неоБ­ходимо, чтоБы I_рэ»I_nэ. в этом случае с учетом того, что I_p~d_pp_n/l_p и I_n~d_nn_p/l_n, (3.3) можно заПисать как

     = 1 -I_nэ/I_pэ = 1 - d_nn_pl_p/d_ppnl_n.                (3.4)

из формулы видно, что для увеличения  неоБходимо, чтоБы n_р<<р_n. так как n_pp_p=n_np_n, то в качестве эмиттерного Перехода Применяется несимметричный p-n-Переход, в котором р_р>>n_n. исПользуя соотношения d=µ(Kt/q) и ?_n=qn_n?_n, ?_p=qp_p?_p, из (3.4) Получим

       = 1—(?_pp?_np/?_nn?_pn) (?_nl_p/?_pl_n),                 (3.5)

где Первый индекс у Подвижности оБозначает знак но­сителя, а второй — в какой оБласти он находится. вы­ражение (3.5) Получено для p-n-Перехода с длинной Базой (w>>l_p). в транзисторе w<<l_p и При малом уровне инжекции концентрация инжектированных носи­телей у коллектора Близка к нулю, так как сильное электрическое Поле коллектора уносит дырки из При­легающего слоя Базы. Поскольку в этих условиях I_pэ~d_pp_n/w (3.5) ПреоБразуется в    =1—?_pp?_np?_nw / ?_nn?_pn?_nl_n      (3.6)

оБычно ?_р?10³ ом^-1cм^-1, ?_n~1 ом^-1см^-1, Поэтому  Практически равно единице.

коэффициент Переноса. это главный Параметр, оПре­деляющий зависимость характеристик транзистора от частоты и режимов смещения. По оПределению                                 (3.2).

оБычно в раБочем режиме на транзистор Подаются Постоянный Прямой ток эмиттера I_эo и Постоянное оБрат­ное наПряжение на коллектор v_K. входной Переменный сигнал Подается в схеме с оБ на эмиттер и Базу. Поэто­му в Базе существует Постоянная составляющая концен­трации инжектированных носителей, на которую накла­дывается Переменная.

      для вычислении коэффициента Переноса можно Получить следующую формулу:   ?=1-(w/l_p)²(0,5+sa?_ps_э), где s – скорость Поверхностной рекомБинации,    s_э- Площадь эмиттера,   а – Постоянная, зависящая от геометрии транзистора. оБычно значение ? нахо­дится в интервале 0,9<?<1.

      

эффективность коллектора. этот Параметр можно оПределить как отношение Полного тока коллектора к дырочному:

?_к= (J_рк + J_nк) /J_рк=1 +J_nк/J_рк.

в отличие от ? эта величина всегда Больше единицы. Причина возникновения электронного тока следующая. дырки, Пришедшие из Базы в коллектор, вследствие условия сохранения электронейтральности вызовут При­ток через вывод коллектора такого же числа электронов. эти электроны затягиваются электрическим Полем кол­лектора и Переносятся в Базу.

При оБычных коллекторных наПряжениях ?_к мало отличается от единицы.

если наПряжение на коллекторе Близко к зна­чению наПряжения ПроБоя коллекторного p-n-Перехода, то ?_к следует умножить на коэффициент умножения м. в этом случае ?_к может Быть много Больше еди­ницы. такие транзисторы называются лавинными и здесь не Будут рассмотрены.