Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя p-n-переходами и 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 PNP- и NPN-типов. Упрощенные структуры и условные графические обозначения NPN- и PNP-транзисторов представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Упрощенные структуры и условные графические обозначения NPN- и PNP-транзисторов
Нижний слой называют эмиттером, он выполняет роль источника свободных носителей заряда. Средний слой называют базой, он служит управляющим полюсом. Верхний наружный слой называют коллектором, он выполняет функцию приемника СНЗ. При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор изготовляют низкоомными, а базу – относительно высокоомной. При этом удельное сопротивление эмиттера несколько меньше, чем удельное сопротивление области коллектора. Другой особенностью транзисторов является то, что толщина базы значительно меньше диффузионной длины, т. е. d < 0,2L (для маломощных высокочастотных транзисторов толщина базы d составляет 0,3–1 мкм).
Работа транзисторов PNP- и NPN-типов аналогична, различие заключается лишь в полярности источников внешних напряжений и в направлении протекания токов через электроды. Поэтому принцип работы и режимы работы биполярных транзисторов будем рассматривать на примере транзистора NPN-типа.
Первый режим работы биполярного транзистора. Рассмотрим первую ситуацию, когда внешнее напряжение на выводах биполярного транзистора отсутствует. В этом случае, вблизи границ раздела слоёв образуются объёмные заряды (обозначены зелёным цветом на рисунке 2), создается внутреннее электрическое поле Ебэ и Ебк. Между диффузионными и дрейфовыми токами в переходах устанавливается динамическое равновесие, в результате ток через электронно-дырочные переходы равен нулю. Т.е. при отсутствии внешнего напряжения на выводах биполярного транзистора, ток через него не протекает (рисунок 2).
Рисунок 2 - Обобщённая структура зон биполярного транзистора в отсутствии внешнего напряжения
Второй режим работы биполярного транзистора. Рассмотрим второй случай, когда к выводам биполярного транзистора прикладывают некоторое напряжение. Биполярный транзистор NPN-типа является многополюсным прибором с N-каналом, поэтому для нормальной работы транзистора между коллектором и эмиттером подключается источник напряжения положительной полярности, как это показано на рисунке 3. Если подать на базу отрицательное напряжение (Uбэ < 0), то эмиттерный и коллекторный переходы будут смещены в обратном направлении и, как следствие, базовый и коллекторные токи будут равны току обратносмещенного PN-перехода, т. е.:
Как показано на рисунке 3, ширина р-n переходов увеличивается (отмечено зелёным цветом), сопротивление Rкб и сопротивление Rбэ большие, а ток через коллектор Iк = 0. Этот режим работы биполярного транзистора называется режимом отсечки или говорят, что транзистор находится в нормально закрытом состоянии (НЗС).
Рисунок 3 - Обобщённая структура зон биполярного транзистора в режиме отсечки
Третий режим работы биполярного транзистора. Рассмотрим третий случай, когда между коллектором и эмиттером подключается источник напряжения положительной полярности, как и во втором случае. Но на базу, в этот раз, подадим напряжение положительной полярности (0 < Uбэ < Uкэ). Тогда эмиттерный переход будет смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (рисунок 4).
Рисунок 4 - Обобщённая структура зон биполярного транзистора в линейном режиме
В результате снижения потенциального барьера на эмиттерном переходе электроны из эмиттера диффундируют через PN-переход в область базы (происходит инжекция электронов). Часть инжектированных электронов рекомбинирует в базе, создавая ток базы рекомбинации (рисунок 5). Навстречу току рекомбинации в базе протекает обратный ток коллектора Iкбо. 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 PN-переходу. Однако, как уже говорилось выше, d < L, поэтому большинство электронов, инжектированных в базу, не успевает рекомбинировать с дырками. Попав вблизи коллекторного перехода в ускоряющее поле они втягиваются в коллектор (происходит так называемая экстракция электронов), где они рекомбинируют с дырками и создают ток коллектора Iк. Кроме того, через коллектор протекает ток обратносмещенного коллекторного перехода Iкбо. Для схематического пояснения физических процессов, протекающих в биполярном транзисторе в активном (линейном) режиме работы приведён рисунок 5.
Рисунок 5 - Физические процессы в биполярном транзисторе при линейном режиме работы
В соответствии с изложенным результирующий ток коллекторной цепи равен:
где α – статический коэффициент передачи тока эмиттера (для современных транзисторов он лежит в пределах 0,95-0,99); Iэ - ток эмиттера; Iкбo – ток обратносмещенного коллекторного перехода.
Ток эмиттера транзистора является суммой прямых токов коллектора Iк и базы Iб:
С учетом соотношения (2) равенство (1) преобразуется к виду:
где β – статический коэффициент передачи тока базы. При значениях α = 0,95-0,99 значения β 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 работы биполярного транзистора называется активным, или линейным, режимом работы. При этом выполняются следующие соотношения:
Четвёртый режим работы биполярного транзистора. Рассмотрим четвёртый случай, когда между коллектором и эмиттером подключается источник напряжения положительной полярности, как и во 2-м и 3-и случаях. Но на базу подаём такое положительное напряжение, чтобы Uбэ > Uкэ. В этом случае эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении (схематически показано отсутствием зелёных областей на рисункн 6). 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. Значения этих токов можно регулировать только включением в электрическую цепь ограничительных резисторов. Данный режим работы называется режимом насыщения, а транзистор находится в нормально открытом состоянии (НОС).
Рисунок 6 - Обобщённая структура зон биполярного транзистора в режиме насыщения
Пятый режим работы биполярного транзистора. Кроме рассмотренных выше случаев, соответствующих состоянию енергетического равновесия и трём режимам работы биполярного транзистора выделяют ещё один режим работы биполярного транзистора. Пятый случай - инверсный режим работы биполярного транзистора. При инверсном включении коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. При этом происходит инжекция свободных носителей заряда из коллектора в базу и экстракция свободных носителей заряда в эмиттер. Данный режим работы биполярного транзистора на практике, как правило, не используется.
Посмотрите учебный видеоролик