Биполярный транзистор энергетические диаграммы

Бп транзисторы. Биполярные транзисторы.

Определение: Биполярным транзистором называется электропреобразовательный прибор обычно с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя и более выводами.

С хема устройства биполярного транзистора выглядит следующим образом:

Здесь представлена структура n-p-n — в ней основные носители электроны, а в структуре p-n-p — основными носителями являются дырки. Слева расположен эмиттер (источник носителей) далее идет база (управление движением носителей) и справа коллектор (область в которую переходят носители).

Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом (ЭП)

Переход между базой и коллектором называется коллекторным переходом (КП)

Схемы включения.

О бщий Эмиттер (ОЭ) – основная схема усиления (усиливает ток, усиливает напряжение и усиливает мощность).

О бщая База (ОБ) – используется в широкополосных усилителях (усиливает напряжение лучше чем ОЭ, усиливает мощность, но не усиливает ток).

О бщий коллектор (ОК) – называется эмиттерный повторитель. Усиливает ток, усиливает мощность, но не усиливает напряжение. Используется для соглосования входных и выходных сопротивлений

Режимы работы БТ

Независимо от схемы включения транзистор может работать в четырех режимах:

1. Нормальный – активный:

2. Режим насыщения:

3. Режим отсечки:

4. Инверсный режим:

Технологическая структура транзистора.

Здесь следует обратить внимание на две области: активная база и пассивная база.

Энергетическая диаграмма бт и общий принцип действия

Р авновесная диаграмма:

E_Ф – Уровень Ферми

W_Б – Физическая толщина базы

qφ – Энергетические барьеры

E_N – Зона проводимости

E_B – Зона валентная

Диаграмма активного режима :

Токи в транзисторе.

Токи показаны на рисунке:

— ток электронов, — ток дырок, — ток рекомбинации

— электронный ток коллектора, — обратный ток коллектора, состоит из тока генерации, теплового и утечек.

Для характеристики качества транзисторов и проведения расчетов схем вводят коэффициенты:

— коэффициент инжекции

— коэффициент переноса (передачи базы).

— статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Полный ток коллектора:

Аналогично введен коэффициент

Пренебрегая обратным током коллектора, можно легко получить:

Процессы в эмиттерном переходе и базе. Распределение носителей в базе.

1 . Активный режим.

(7)

Пренебрегая рекомбинацией можно считать I_n = Const.

На левой границе (x = 0)

(8)

На правой границе вследствие экстракции концентрация пренебрежимо мала

(8)

Распределение дырок в эмиттере определяется теми же формулами, что и для электронов.

2. Инверсный режим.

В сё то же, но наоборот. Концентрация дырок больше, чем концентрация электронов.

Изгиб кривой идет в другую сторону, т.к. движение электронов направлено против встроенного поля.

3 .Режим насыщения.

Концентрация носителей в базе определяется инжекцией через оба перехода. Кривая равна сумме предыдущих кривых

Обращаем внимание на то, что движение электронов в базе имеет диффузионный характер при равномерном ее легировании. В случае дрейфовой базы и неравномерного легирования (у эмиттера на 2 порядка выше) движение имеет смешанный характер. На рисунках показаны кривые распределения электронов при равномерном легировании (без дрейфа) сплошной линией, и в случае дрейфа пунктирной линией. Кривизна определяется из уравнения (7) и условия равенства 0 концентрации электронов на правой границе перехода. Видно, что для обеспечения одного и того же потока электронов в случае бездрейфового транзистора требуется больший уровень инжекции на левой границе.

Источник

Тема 4. Биполярные транзисторы

4.1. Биполярные транзисторы Конструкция. Режимы работы.

Транзистор – transfer resistor (дословно — переносить сопротивление).

Нобелевская премия 1956 г.:

— Дж. Бардин и В.Х Браттейн — точечный транзистор, 1948 г.

— В. Шокли — плоскостной транзистор, 1949 г.

Конструкции транзисторов

Упрощенные структуры биполярных транзисторов:

В зависимости от полярности напряжения на переходах различают 4 режима:

1. Активный нормальный.

Эмиттерный переход – инжектирующий заряды.

Коллекторный переход – собирающий заряды.Iэ=IБ+Iк

2. Инверсный активный режим.

Коллекторный переход – инжектирующий заряды.

Эмиттерный переход – собирающий заряды.

3. Режим отсечки (оба перехода закрыты).

4. Режим насыщения : эмиттер и коллектор находятся под прямым напряжением. Оба перехода прямо смещены.

Обобщенная картина распределений неосновных зарядов в базе:

4.2 Зонные диаграммы биполярного транзистора.

1. равновесный режим

активный нормальный.

Транзистор – транзит зарядов из эмиттера в коллектор через базу.

3. активный инверсный.

4. режим отсечки.

5. режим насыщения.

4.3 Токи в транзисторе. Коэффициент передачи тока эмиттера. Коэффициент инжекции. Коэффициент переноса.

Структура токов в активном нормальном режиме

IЭ –ток эмиттера (полный).

IPЭ – дырочный ток.

Inэ – электронный ток.

(4.2)

для симметричного перехода γ=0,5

.

В транзисторе p-n-p типа полезная составляющая – дырочная, а в транзисторе n-p-n типа полезная составляющая электронная.

Кроме потери электронной составляющей InЭ, за счёт рекомбинации дырок в n – базе возникает потеря на рекомбинацию.

IБ рек – рекомбинационная составляющая дырочного тока эмиттера.

IРК – транзитная составляющая тока эмиттера.

(4.3)

Коэффициент переноса показывает, какая часть дырочного тока доходит до коллектора.

(4.4)

Пренебрегаем собственным обратным током коллекторного перехода Iкo.

Коэффициент передачи тока эмиттера.

(4.5)

Вобщем случаеIэ=Iрэ+Inэ,

Iк =Iэ+Iко,

Коэффициент α – важнейший физический параметр биполярных транзисторов, определяется комплексом технологических параметров ( материал, концентрации примесей, площади переходов, диффузионная длина электронов и дырок и т.д.). Коэффициент α характеризует усилительные свойства транзисторов и его значения для современных транзисторов находятся в диапазоне 0,95 α > pnБO. На границе с коллекторным переходом неравновесная концентрация неосновных зарядов за счет экстракции близка к нулю: больше равновесной: pnБ(w)0. При Lp w наоборот, основная часть инжектированных зарядов проходит базу и захватывается полем коллекторного перехода – образует транзитный ток. Зависимость тока обратносмещенного коллекторного перехода от тока прямосмещенного эмиттерного перехода и есть суть биполярного транзистора.

Увеличение коэффициента переноса за счет условие Lp>w обеспечивается, во-первых, уменьшением w, во- вторых, увеличением Lp, т.е. увеличением времени жизни инжектированных зарядов. Последнее требует уменьшения концентрации основных зарядов (примеси) в базе. Следовательно, высокое удельное сопротивление базы необходимо для увеличения обоих коэффициентов  и .

Принцип действия биполярного транзистора кратко можно сформулировать как взаимодействие прямосмещенного эмиттерного p-n перехода и обратносмещенного коллекторного p-n перехода через слаболегированную тонкую базу, причем это взаимодействие проявляется в виде транзитного тока.

Источник