Биполярные транзисторы - Основные физические процессы в биполярных транзисторахТвердотельная электроника. Учебное пособие.
5.2. Основные физические процессы в биполярных транзисторах
В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.
Рассмотрим р-n переход эмиттер - база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок рn(х) по базе описывается следующим уравнением:
Схематически распределение инжектированных дырок рn(х) показано на рисунке 5.5.
Рис. 5.5. Распределение инжектированных дырок в базе
Процесс переноса инжектированных носителей через базу - диффузионный. Характерное рас-стояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения -диффузионная длина Lp. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. Это условие - W < Lp, является необходимым для реализации транзисторного эффекта - управление током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.
В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинированных основных носителей в базе через внешний контакт должны подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы - это рекомбинационный ток.
Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое по-ле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса:
Рис. 5.6. Зонная диаграмма биполярного транзистора:
а) в равновесном состоянии; б) в активном режиме
5.2.1. Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Зонная диаграмма и токи
На рисунке 5.6а показана зонная диаграмма биполярного транзистора в схеме с общей базой в условиях равновесия. Значками (+) и (-) на этой диаграмме указаны основные и неосновные носители.
Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном перехо-де - прямое напряжение, на коллекторном - обратное) является основным. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться транзистор в активном режиме, для p-n-р биполярного транзистора Uэ > 0, Uк < 0.
Для биполярного транзистора p-n-р типа в активном режиме эмиттерный переход смещён в прямом направлении, и через него происходит инжекция дырок, как неосновных носителей, в ба-зу. База должна иметь достаточно малую толщину W (W << Lp, где Lp- диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные в базу неосновные носители не успевали прореком-бинировать за время переноса через базу. Коллекторный переход, нормально смещенный в обратном направлении "собирает" инжектированные носители, прошедшие через слой базы.
Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах (рис. 5.7). Для любого p-n перехода ток J определяется суммой электронного Jn и дырочного Jp компонент, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие:
При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения Uэ > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу Iэр и электронов из базы в эмиттер Iэn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок Iэр будет значительно превышать ток электронов Iэn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу, и если ширина базы W много меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного p-n-р перехода будут переброшены в р-область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером.
Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (Uk < 0, |Uk| >> 0):
Iэ - ток в цепи эмиттера, Iк - ток в цепи коллектора, I6 - ток на базовом выводе.
В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет эмиттерный ток Iэ, имеющий две компоненты:
где Iэр - ток инжекции дырок из эмиттера в базу, Iэn - ток инжектированных электронов из базы в эмиттер. Величина "полезной" дырочной компоненты равняется Iэp = γ·Iэ, где γ - эффективность эмиттера. Величина дырочного эмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γκIэ.
Ток базы Iб транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе Iэn = (1 - γ)·Iэ, рекомбинационный ток в базе (1 - κ)γIэ и тепловой ток коллектора Iк0.
Тепловой ток коллектора Iк0 имеет две составляющие:
где I0 - тепловой ток, Ig - ток генерации.
На рисунке 5.7 приведена схема биполярного транзистора в активном режиме, иллюстрирующая компоненты тока в схеме с общей базой.
Рис. 5.7. Схема, иллюстрирующая компоненты тока в биполярном транзисторе в схеме с общей базой
Copyright © 2003-2008 Авторы
| Ваш комментарий к статье | ||||
