Глава 1.2

Основные физические процессы в биполярных транзисторах

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.
Рассмотрим р-п 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 р_n(х) по базе описывается следующим уравнением:
.
Схематически распределение инжектированных дырок р_n(х) показано на рис. 1.2.1.

Рис. 1.2.1. Распределение инжектированных дырок в базе.

Процесс переноса инжектированных носителей через базу - диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения - диффузионная длина L_p. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины L_p. Это условие - W < L_p, 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 поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса:

• инжекция из эмиттера в базу;
• диффузия через базу;
• рекомбинация в базе;
• экстракция из базы в коллектор.

Рис. 1.2.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой.
Зонная диаграмма и токи
а) в равновесном состоянии, б) в активном режиме

На рис 1.2.2а 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 переходе - прямое напряжение, на коллекторном - обратное) является основным. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться транзистор в активном режиме, для p-n-р биполярного транзистора U_э > 0, U_к < 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 базу. База должна иметь достаточно малую толщину W (W << L_p, где L_p - диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные в базу неосновные носители не успевали прорекомбинировать 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. Для любого p-n перехода ток J определятся суммой электронного J_n и дырочного J_p компонент, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие
.

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения U_э > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу I_эр и электронов из базы в эмиттер I_эn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок I_эр будет намного превышать ток электронов I_эn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу и если ширина базы W много меньше диффузионной длины L_p, 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 (U_k < 0, |U_k| >> 0):
I_э = I_к + I_б,
I_э - ток в цепи эмиттера, I_к - ток в цепи коллектора, I₆ - ток на базовом выводе.
В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет ток
I_э = I_эр + I_эn,
где I_эр - ток инжекции дырок из эмиттера в базу , I_эn - ток инжектированных электронов из базы в эмиттер.
I_к0 = I₀ + I_g, где I₀ - тепловой ток, I_g - ток генерации.

Рис. 1.2.3. Схема, иллюстрирующая компоненты тока в биполярном транзисторе в схеме с общей базой.