Условные обозначения, структура и режимы работы биполярного транзистора

Введение

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя PN-переходами, тремя выводами, предназначенные для усиления электрических сигналов.

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p- и n-p-n-типов. Упрощенные структуры и условные графические обозначения n-p-n- и p-n-p-транзисторов представлены на рис. 1.

Рис. 1 - Упрощенные структуры и условные графические обозначения NPN- и PNP-транзисторов

На рисунке показаны упрощенные структуры и условные графические обозначения NPN- и PNP-транзисторов. Слева представлен NPN-транзистор с эмиттером (N), базой (P) и коллектором (N). Справа - PNP-транзистор с эмиттером (P), базой (N) и коллектором (P). Стрелка в условном обозначении показывает направление тока: для NPN - от базы к эмиттеру, для PNP - от эмиттера к базе.

Эмиттер (\(E\)) - База (\(B\)) - Коллектор (\(C\))

Нижний слой называют эмиттером, он является источником свободных носителей заряда. Средний слой называют базой, он служит управляющим полюсом. Верхний наружный слой называют коллектором, он выполняет функцию приемника СНЗ.

Особенности конструкции транзисторов

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор изготовляют низкоомными, а базу — относительно высокоомной. При этом удельное сопротивление эмиттера несколько меньше, чем области коллектора \( \rho_э < \rho_к \). Другой особенностью транзисторов является то, что толщина базы значительно меньше диффузионной длины, т. е. \( d < 0,2L \) (для маломощных высокочастотных транзисторов \( d \) составляет \( 0,3-1 \) мкм). Диффузионная длина - это расстояние, на котором концентрация носителей заряда в результате рекомбинации уменьшается в \( e \) раз, где \( e \) — основание натурального логарифма.

Режимы работы биполярных транзисторов

Работа транзисторов p-n-p- и n-p-n-типов аналогична, различие заключается лишь в полярности источников внешних напряжений и направлении протекания токов через электроды. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь транзисторы n-p-n-типа.

При отсутствии внешних напряжений вблизи границ раздела слоев образуются объемные заряды, создается внутреннее электрическое поле \( E_{бэ} \) и \( E_{бк} \). Между диффузионными и дрейфовыми токами в переходах устанавливается динамическое равновесие, в результате ток через переходы равен нулю.

Биполярный транзистор n-p-n-типа является многополюсным прибором с n-каналом, поэтому для нормальной работы транзистора между коллектором и эмиттером подключается источник напряжения положительной полярности (рис. 2).

Рис. 2 - Физические процессы в биполярном транзисторе при линейном режиме работы

На рисунке показаны физические процессы в NPN-транзисторе при линейном режиме работы. Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, что вызывает инжекцию электронов из эмиттера в базу. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, создавая ускоряющее поле для электронов. Большинство электронов проходит через тонкую базу и захватывается коллектором. Небольшая часть электронов рекомбинирует в базе, создавая ток базы.

\( U_{бэ} \) - напряжение база-эмиттер, \( U_{кэ} \) - напряжение коллектор-эмиттер

1. Режим отсечки

Если подать на базу отрицательное напряжение (\( U_{бэ} < 0 \)), то эмиттерный и коллекторный переходы будут смещены в обратном направлении и, как следствие, базовый и коллекторный токи будут равны току обратносмещенного p-n-перехода, т. е.

\( I_к = I_{кбо} \approx 0, \quad I_б = I_{бо} \approx 0 \)

Этот режим работы называется режимом отсечки, или говорят, что транзистор находится в нормально закрытом состоянии (НЗС).

Рис. 3 - Обобщённая структура зон биполярного транзистора в режиме отсечки

На рисунке показана структура NPN-транзистора в режиме отсечки. Оба PN-перехода смещены в обратном направлении, что видно по расширению обедненных областей (зеленые зоны). Ширина переходов увеличивается, сопротивления \( R_{кб} \) и \( R_{бэ} \) становятся большими. Ток через коллектор \( I_к \) практически равен нулю. Транзистор находится в закрытом состоянии, не пропускает ток между коллектором и эмиттером.

2. Активный (линейный) режим

Подадим на базу напряжение положительной полярности (\( 0 < U_{бэ} < U_{кэ} \)).

В этом случае эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В результате снижения потенциального барьера на эмиттерном переходе электроны из эмиттера диффундируют через p-n-переход в область базы (происходит инжекция электронов). Часть инжектированных электронов рекомбинирует в базе, создавая ток базы рекомбинации. Навстречу току рекомбинации в базе протекает обратный ток коллектора \( I_{кбо} \).

Рис. 4 - Обобщённая структура зон биполярного транзистора в линейном режиме

На рисунке показана структура NPN-транзистора в активном режиме. Эмиттерный переход смещен в прямом направлении (сужается обедненная область), что позволяет электронам инжектироваться из эмиттера в базу. Коллекторный переход смещен в обратном направлении (расширяется обедненная область), создавая ускоряющее поле для электронов. Большинство электронов проходит через тонкую базу и захватывается коллектором.

Из-за разности концентрации инжектированные в базу носители заряда движутся вглубь по направлению к коллектору. Если бы база была достаточно толстой, то все инжектированные заряды рекомбинировали бы в ней, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный обратносмещенному p-n-переходу.

Однако \( d < L \), поэтому большинство электронов, инжектированных в базу, не успевает рекомбинировать с дырками и, попав вблизи коллекторного перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция электронов), где они рекомбинируют с дырками и создают ток коллектора \( I_к \). Кроме того, через коллектор протекает ток обратносмещенного коллекторного перехода \( I_{кбо} \).

Рис. 5 - Схема физических процессов в биполярном транзисторе при линейном режиме работы

На схеме подробно показаны физические процессы в NPN-транзисторе в активном режиме. Электроны инжектируются из эмиттера в базу. Большинство электронов проходит через тонкую базу и захватывается коллектором. Небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками, создавая ток базы. Показаны пути движения носителей заряда и распределение токов между электродами.

В соответствии с изложенным результирующий ток коллекторной цепи равен

\( I_к = \alpha I_э + I_{кбо} \quad (1) \)

где \( \alpha \) — статический коэффициент передачи тока эмиттера (для современных транзисторов он составляет \( 0,95-0,99 \));

\( I_{кбо} \) — ток обратносмещенного коллекторного перехода.

Ток эмиттера транзистора является суммой двух составляющих \( I_к \) и \( I_б \):

\( I_э = I_к + I_б \quad (2) \)

С учетом последнего соотношения равенство (1) преобразуется к виду

\( I_к = \alpha (I_к + I_б) + I_{кбо} \)

или

\( I_к = \beta I_б + I_{кбо}(1 + \beta) \quad (3) \)

где \( \beta \) — статический коэффициент передачи тока базы. При значениях \( \alpha = 0,95-0,99 \) значения \( \beta \) составляют соответственно \( 19-99 \).

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока коллектора. Поэтому данный режим называется активным, или линейным, режимом работы. При этом выполняются следующие соотношения:

\( I_к \approx \beta I_б, \quad I_э \approx I_к, \quad U_{кэ} > 0 \)

3. Режим насыщения

Подадим на базу такое положительное напряжение, чтобы \( U_{бэ} > U_{кэ} \). В этом случае эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении. В этом режиме происходит инжекция электронов в базу из коллектора и эмиттера, сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов становятся очень малыми и через электроды протекают большие токи, которые определяются только внешними ограничительными резисторами. Данный режим работы называется режимом насыщения, а транзистор находится в нормально открытом состоянии (НОС).

Рис. 6 - Обобщённая структура зон биполярного транзистора в режиме насыщения

На рисунке показана структура NPN-транзистора в режиме насыщения. Оба PN-перехода смещены в прямом направлении, что видно по отсутствию расширенных обедненных областей. Эмиттерный и коллекторный переходы имеют минимальное сопротивление. Происходит инжекция электронов как из эмиттера, так и из коллектора в базу. Транзистор полностью открыт и пропускает максимальный ток между коллектором и эмиттером.

4. Инверсный режим

При инверсном включении коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Такой режим работы биполярного транзистора называется инверсным. При этом происходит инжекция зарядов из коллектора в базу и экстракция в эмиттер. Данный режим на практике, как правило, не используется.

Сравнение режимов работы

Режим работы	Смещение переходов	Ток коллектора	Напряжение коллектор-эмиттер	Применение
Отсечка	Оба перехода обратносмещены	\( I_к \approx 0 \)	\( U_{кэ} \approx U_{пит} \)	Ключевой режим (выключено)
Активный	Эмиттерный - прямо, коллекторный - обратно	\( I_к = \beta I_б \)	\( 0 < U_{кэ} < U_{пит} \)	Усиление сигналов
Насыщения	Оба перехода прямосмещены	\( I_к \approx \frac{U_{пит}}{R_к} \)	\( U_{кэ} \approx 0 \)	Ключевой режим (включено)
Инверсный	Коллекторный - прямо, эмиттерный - обратно	\( I_к = \beta_{инв} I_б \)	\( U_{кэ} < 0 \)	Практически не используется

Основные формулы

\( I_к = \alpha I_э + I_{кбо} \)

Ток коллектора через ток эмиттера

\( I_э = I_к + I_б \)

Баланс токов в транзисторе

\( I_к = \beta I_б + I_{кбо}(1 + \beta) \)

Ток коллектора через ток базы

\( \beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha} \)

Связь коэффициентов передачи

\( I_к \approx \beta I_б \)

Приближенное соотношение для активного режима