Принцип работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор (БТ) представляет собой полупроводниковый прибор с тремя областями: эмиттер, база и коллектор. Он может быть выполнен в двух вариантах — n-p-n и p-n-p, где средний слой (база) имеет проводимость, противоположную двум другим.

  • Эмиттер сильно легирован и служит источником носителей заряда.
  • База очень тонкая (несколько микрометров) и слабо легированная, что обеспечивает высокую вероятность прохождения носителей из эмиттера в коллектор.
  • Коллектор слабее легирован по сравнению с эмиттером, но толще, так как принимает и рассеивает основную часть носителей и выделяющееся тепло.

Такое распределение легирования определяет асимметрию транзистора: его невозможно использовать с переставленными выводами без значительной потери характеристик.

Включение и режимы работы

Работа транзистора основана на использовании двух последовательно соединённых p-n переходов:

  • эмиттерный переход (между эмиттером и базой),
  • коллекторный переход (между базой и коллектором).

Существует три основных режима:

  1. Активный режим – эмиттерный переход смещён в прямом направлении, коллекторный — в обратном.
  2. Насыщение – оба перехода смещены в прямом направлении.
  3. Отсечка – оба перехода смещены в обратном направлении.

Активный режим является основным для усиления сигналов.

Физический принцип работы

Инжекция носителей из эмиттера

При прямом смещении эмиттерного перехода электроны (для n-p-n) или дырки (для p-n-p) активно переходят из эмиттера в базу. Благодаря сильному легированию эмиттера поток носителей очень велик.

Движение через базу

Попав в базу, носители заряда движутся диффузионным образом. Так как база тонкая и слабо легированная, вероятность рекомбинации мала (обычно порядка 1–5 %). Поэтому большинство носителей достигают коллекторного перехода.

Сбор носителей коллектором

Коллекторный переход находится под обратным смещением, что создаёт сильное электрическое поле. Оно «вытягивает» носители из базы в коллектор, где они становятся основным током коллектора. Таким образом, через базу проходит только небольшой ток, связанный с рекомбинацией.

Токи в транзисторе

Основные токи:

  • Эмиттерный ток IE – поток носителей, вводимых эмиттером.
  • Коллекторный ток IC – основная часть носителей, собранная коллектором.
  • Базовый ток IB – небольшой ток, обусловленный рекомбинацией.

Связь между ними выражается:

IE = IC + IB

Коэффициент передачи по току базы:

$$ \beta = \frac{I_C}{I_B} $$

Для реальных транзисторов β лежит в пределах от 20 до 500, в зависимости от технологии и режима работы.

Механизм усиления

Усиление в БТ связано с тем, что малый управляющий ток базы управляет большим током коллектора.

  • При увеличении базового тока лишь на несколько микроампер ток коллектора может изменяться на миллиамперы.
  • Энергия, затрачиваемая на управление, в десятки или сотни раз меньше энергии, протекающей через коллекторную цепь.

Таким образом, биполярный транзистор работает как усилитель мощности или тока.

Вольт-амперные характеристики

На выходных характеристиках IC(UCE) для разных значений IB видно:

  • При фиксированном токе базы коллекторный ток практически не зависит от напряжения UCE (в активной области).
  • При малых напряжениях наступает режим насыщения, когда увеличение IB уже не приводит к росту IC.
  • В режиме отсечки ток коллектора практически равен току обратной насыщенности перехода и очень мал.

Такие характеристики позволяют использовать транзистор как ключевой элемент (открыт/закрыт) или как усилительный элемент.

Влияние толщины и легирования базы

Толщина базы играет критически важную роль. Если база слишком широкая, то вероятность рекомбинации носителей в ней возрастает, и эффективность транзистора резко снижается. Для нормальной работы толщина базы должна быть меньше диффузионной длины носителей.

Легирование базы также подбирается таким образом, чтобы обеспечить:

  • низкую вероятность рекомбинации,
  • хорошее проникновение носителей из эмиттера,
  • минимальный ток базы.

Сильное легирование эмиттера и слабое легирование базы обеспечивают эмиттерное преимущество, то есть значительное преобладание тока инжекции из эмиттера над обратной инжекцией из базы.

Динамические процессы

При изменении входного сигнала токи и напряжения в транзисторе не меняются мгновенно. Ограничивающими факторами являются:

  • заряд накопления в базе,
  • ёмкости p-n переходов (переходная и барьерная),
  • время пролёта носителей через базу.

Эти параметры определяют частотные свойства транзистора и ограничивают верхнюю рабочую частоту. Для современных высокочастотных транзисторов толщина базы уменьшается до сотен нанометров, что позволяет достигать гигагерцовых диапазонов.

Тепловые эффекты

При работе транзистора часть мощности выделяется в виде тепла, что может приводить к:

  • увеличению токов обратного насыщения,
  • тепловому пробою,
  • самоуничтожению кристалла при перегреве.

Для предотвращения перегрева используются теплоотводы и ограничение допустимой мощности рассеяния.

Оглавление