транзисторов р-п-р подается напряжение обратной полярности и токи имеют противоположное направление.

Режимы включения. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам, различают активный, отсечки, насыщения и инверсный режимы включения транзистора.

Активный режим используется при усилении слабых сигналов. В этом режиме на эмиттерный переход подается прямое, а на коллекторный- обратное напряжение. В активном режиме эмиттер инжектирует в область базы неосновные для нее носители, а коллектор производит экстракцию (выведение) неосновных носителей из базовой области.

В режиме отсечки к обоим переходам подводятся обратные напряжения, при которых ток через транзистор ничтожно мал. В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся под прямым напряжением; в обоих переходах происходит инжекция носителей; транзистор превращается в двойной диод; ток в выходной цепи максимален при выбранном значении нагрузки и не управляется током входной цепи; транзистор полностью открыт. В режимах отсечки и насыщения обычно используется транзистор в схемах электронных переключателей.

В инверсном режиме меняют функции эмиттера и коллектора, подключив к коллекторному переходу прямое, а к эмиттерному - обратное напряжение. Однако из-за несимметрии структуры и различия концентрации носителей в областях коллектора и эмиттера инверсное включение транзистора неравноценно его нормальному включению в активном режиме.

§ 5.2. Принцип действия биполярного транзистора

Рассмотрим принцип действия р-п-р транзистора, включенного по схеме с ОБ (см. рис. 5.2, а), в активном режиме.

Энергетическая диаграмма. Энергетическая диаграмма транзистора строится по аналогии с энергетической диаграммой р-п-перехода. Для упрощения анализа концентрацию легирующих примесей в эмиттерной и коллекторной областях будем считать примерно одинаковой, а в базовой области - намного меньшей. На рис. 5.3, а представлена потенциальная диаграмма р-п-р транзистора в состоянии термодинамического равновесия (при отключенных внешних источниках электропитания). Система характеризуется единым уровнем Ферми во всех областях (p,=p==p=•). Энергетические уровни в р-областях потолка валентной зоны фв р и дна зоны проводимости флр сдвинуты относительно соответствующих уровней фвп и фл„ в «-области (в базе) на величину контактной разности потенциалов в эмиттерном Афэб и коллекторном Дфкб переходах Дфэб=Афкб = еконт (рис. 5.3, б).

При высокой степени легирования эмиттерной, базовой и коллекторной областей большая часть каждого перехода смещена от

Рис. 5.3. Структура и энергетические диаграммы транзистора в равновесном и активном режимах

ргю, гик) Эмиттер

Паза

Коллектор

Рис. 5.4. Распределение концентрации неосновных носителей заряда в активном режиме работы транзистора

Рис. 5.5. Токи в транзисторе

металлургической границы областей в базовую область (см. несимметрию областей в переходах). В равновесном состоянии (при отсутствии внешних напряжений) диффузионный ток и ток проводимости в каждом переходе взаимно компенсируются, поэтому результирующий ток в переходах и транзисторе равен нулю.

При подключении к транзистору в активном режиме напряжений внешнего источника (прямого t/эб к эмиттерному и обратного Uk6 к коллекторному переходу) зонная энергетическая диаграмма изменяется (рис. 5.3, в). Прямое напряжение t/эб снин<ает высоту потенциального барьера в эмиттерном переходе до значения Дфэб=Дфэб-е эб=е( конт-

-f/эб).

При этом уменьшится ширина эмиттерного перехода с k (см. рис. 5.3, а) до 1/ (см. рис. 5.3, е), а границы зон приводимости фпп и валентной фв п в базовой области поднимутся на величину ef/эб по сравнению с их положением в равновесном состоянии.

Обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу, увеличивает высоту его потенциального барьера (см. рис. 5.3, е) до значения Дфкб=Aфкб--+ef)кбI При этом увеличится ширина коллекторного перехода с /к (см. рис. 5.3, а) до (см. рис. 5.3, в), а границы вон проводимости фпр и валентной фвр в коллекторной области поднимутся на величину et/кб по сравнению с их положением в области базы.

Движение носителей заряда. Процессы в эмиттерном переходе. При снижении потенциального барьера в эмиттерном переходе начнется инжекция

основных носителей заряда эмиттера - дырок (для транзистора р-п-р) в область базы, а электронов из базы в эмиттерную область. Через эмиттерный переход будет протекать ток, равный сумме дырочной/эр и электронной /эл составляющих /э=/эр+ -[-/эп. Обычно равновесная концентрация дырок в эмиттере на 3-4 порядка выще, чем концентрация электронов в базе, поэтому преобладает инжекция дырок из эмиттера, т. е. hpIan-

Процессы в базе. Инжектированные в базу дырки являются здесь неравновесными неосновными носителями. Они создают в базе вблизи эмиттерного перехода область с повыщенной концентрацией дырок (рис. 5.4). Вследствие разности концентрации возникает диффузионное движение дырок в направлении коллекторного перехода. В процессе этого движения некоторая часть дырок ре-комбинирует с основными носителями - электронами базы. Убыль электронов в базе компенсируется их поступлением от источника t/эб в количестве, необходимом для поддержания нейтральности базы. Эти электроны создают рекомбинационный ток базы /е (рис. 5.5), который замыкается по цепи: -ft/se, эмиттер, р-«-переход, база, -(/эб.

Рекомбинационный ток нежелателен. Чтобы уменьшить вероятность рекомбинации, ширину базы транзистора выполняют меньше диффузионной длины дырок в ней {w5<Lpn). Благодаря этому большинство дырок (около 93%), инжектированных из эмиттера, совершает диффузионное перемещение через базу и достигает коллекторного перехода.

По характеру неосновных носителей в базе такие транзисторы являются диффузионными (бездрейфовыми). Транзисторы, у которых перемещение (дрейф) носителей заряда через базу происходит под действием сил внутреннего электрического поля, относят к дрейфовым. Это поле возникает в базе вследствие неоднородной концентрации легирующих примесей в ней.

Процессы в коллекторном переходе. Напряжение коллекторного источника /Укб, будучи подключено к коллекторному переходу в обратном направлении, увеличивает потенциальный барьер в переходе для основных носителей из коллектора в базу и в обратном направлении. Для неосновных носителей поле коллекторного источника будет ускоряющим. Под действием этого поля происходит экстракция инжектированных дырок (подошедших в базе к коллекторному переходу) из базы в коллектор.

Избыток дырок в коллекторе компенсируется током электронов от источника Ue, в результате чего во внешней коллекторной цепи будет протекать ток /к.

В рассматриваемом активном режиме работы через транзистор протекает сквозной ток (от эмиттера, через базу, к коллектору). Изменяя в небольших пределах напряжение на эмиттерном переходе t/эб, можно в широких пределах управлять входным Is, а следовательно, и выходным током /к. Таким образом, транзистор является электронным прибором, управляемым током.

В транзисторах со структурой п-р-п механизм движения носи-