Биполярные транзисторы (Тема 5.4.1)

1.

5.4.1 Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор ‒
электропреобразовательный
полупроводниковый прибор,
имеющий в своей структуре два
взаимодействующих
p–n-перехода и три внешних
вывода.
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2024

2.

В 1958 г. американские ученые Дж. Бардин, У.Шокли и В. Браттейн создали полупроводниковый триод,
или транзистор.
Джон Бардин единственный учёный в истории, получивший две Нобелевские премии по физике: в 1956 году за
транзистор совместно с Уильямом Брэдфордом Шокли и Уолтером Браттейном и в 1972 году за теорию
низкотемпературных сверхпроводников совместно с Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером.
Биполярный транзистор состоит из трех областей
монокристаллического полупроводника с разным типом
проводимости:
эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).
. Усилительные свойства транзистора обусловлены инжекцией и
экстракцией неосновных носителей заряда.
Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип работы
прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц,
имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, ‒ дырок и
электронов.
Джон Бардин, Уильям Шокли и
Уолтер Браттейн
в лаборатории,
1948 г.
Эпитаксиальный n-p-n
биполярный транзистор
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2025

3.

Основные физические процессы в биполярных транзисторах
В зависимости от вида включения перехода различают три режима работы транзистора:
1. Режим отсечки – оба p‑n перехода закрыты, через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;
2. Режим насыщения – оба p‑n перехода открыты;
3. Активный режим – один из p‑n переходов открыт, а другой закрыт.
В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно.
В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять
функции активного элемента электрической схемы
Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а
соответствующий переход – эмиттерным.
Область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором (К), а
переход – коллекторным.
Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное, то включение транзистора
считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.
В зависимости от чередования областей с разным типом
проводимости различают n–p–n- и p–n–p-транзисторы.
Структура и условное обозначение транзисторов на электрических
схемах приведены на рисунке. Направление стрелки у эмиттерного
контакта определяет тип транзистора (n–р–n или р–n–р).
В БТ реализуются четыре физических процесса:
•- инжекция из эмиттера в базу;
•- диффузия через базу;
•- рекомбинация в базе;
•- экстракция из базы в коллектор.
Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе.
В базе в зависимости от распределения примесей может присутствовать или отсутствовать электрическое поле.
Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей
заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым
(диффузионным).
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2022

4.

По технологии изготовления транзисторы делятся на
сплавные, планарные, диффузионно‑сплавные, мезапланарные и эпитаксиально‑планарные
p-n-p
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2025
и
n-p-n

5.

Принцип действия биполярного транзистора заключается в следующем:
при расположении двух p–n-переходов относительно друг друга на расстоянии не более диффузионной длины электронов
происходит взаимодействие между переходами, приводящее к усилению электрических сигналов. Носители заряда,
инжектированные через один из переходов, включенный в прямом направлении, могут дойти до другого перехода,
включенного в обратном направлении, и изменить его ток, в результате один из переходов управляет током другого
перехода.
Основные характеристики транзистора определяются процессами,
происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе
может присутствовать или отсутствовать электрическое поле.
W < Lp
n p ( x) n p 0 exp( U )exp( x / L p )
Закон распределения инжектированных дырок
по базе описывается следующим уравнением
В процессе диффузии через базу инжектированные
неосновные носители рекомбинируют с основными
носителями в базе.
Для восполнения рекомбинировавших основных носителей в
базе через внешний контакт течет рекомбинационный ток.
Далее носители попадают в электрическое поле обратно
смещенного коллекторного p‑n перехода и экстрагируются из
базы в коллектор

6.

Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Зонная диаграмма и токи
Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, и
через него происходит инжекция дырок (неосновных
носителей) в базу Iэр и электронов из базы в эмиттер Iэn.
Ввиду того что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток
инжектированных дырок значительно превышает ток электронов
Iэр >> Iэn
Коллекторный переход, смещен в обратном направлении и
"собирает" инжектированные носители, прошедшие через слой
базы.
Электрическое поле обратно включенного коллекторного перехода оказывается ускоряющим для потока носителей заряда со
стороны базы и не пропускает поток электронов со стороны коллектора. Это поле втягивает в коллектор все электроны на
границе КП со стороны базы, поэтому ток коллектора практически оказывается равным току эмиттера.
R=0
p
n
p
j(U )
jS
Зонная диаграмма биполярного транзистора:
а) в равновесном состоянии; б) в активном режиме
R=∞
tgα=1/R
U
обратное
смещение
прямое
смещение
(увеличение ФБ) (уменьшение ФБ)
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2025

7.

Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Токи.
3
1
2
Ток базы Iб транзистора будет состоять из трех компонент:
1. электронный ток в эмиттерном переходе Iэn = (1 – γ)·Iэ, ( - коэффициент инжекции)
2. рекомбинационный ток в базе (1 - κ)γIэ, ( -коэффициент переноса)
3. тепловой ток коллектора I =I +I где I0 – тепловой ток, Ig – ток генерации.
к0
0
g
κ
Тепловым током коллектора Iк0 называют коллекторный ток Iк, измеренный в режиме разомкнутого
эмиттерного перехода (режим холостого хода в эмиттерной цепи Iэр = 0 при большом обратном
смещении на коллекторном переходе).
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2024

8.

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
qD p pn0 qDn np0 βV
J = J p + J n = J pD + J pE + J nD + J nE =
+
e G 1
L
Ln
p
Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (Uк < 0, |Uк| >> 0):
I э =I к +I б
где Iэ – ток в цепи эмиттера, Iк – ток в цепи коллектора, Iб – ток на базовом выводе.:
В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет эмиттерный ток Iэ,
имеющий две компоненты
I э =I эp +I эn
,
.
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,
где
-коэффициент переноса
κ
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.
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2022

9.

Дифференциальные параметры БТ в схеме с общей базой
Основными величинами, характеризующими параметры БТ, являются
:
1. коэффициент инжекции
- доля полезного дырочного тока в полном
токе эмиттера Jэ (эффективность эмиттера)
dJ
эр
γ=
γ=
dJ э
J эp
=
J эp + J эn
NБ
1
1
1
=
=
1
J
n
n2 N
NЭ
1+ эn 1+ p0 1+ i Б2
J эp
pn0
N Э ni
N Э >> N Б
κ
2. коэффициент переноса - доля эмиттерного дырочного тока
,без рекомбинации дошедшего до коллекторного перехода κ dJэ
dJэр
Фундаментальное уравнение теории
транзисторов
J
1 W
κ
ch
к
J эр
Разлагая гиперболический
косинус ch(x) в ряд при условии, что x < W
2
1 W
κ 1 ,
L
2 L
3. Коэффициент передачи тока эмиттера :
α=
dI к
|
dI э U к=const
2
Если W = 0,2L
κ
1 1
κ 1 0,98
2 5
Коэффициент передачи эмиттерного тока характеризует изменение
коллекторного тока Iк при вызвавшем его изменении эмиттерного тока Iэ.
4. сопротивление эмиттерного (rэи
) коллекторного (rк), переходов
r э=
dU э
dI э
|I =const
к
rк=
dU к
dI к
|I =const
э
5. коэффициент обратной связи эмиттер – коллектор μэкμ эк =
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2025
dU к
|
dU э I =const
э
=

10.

6. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода
rэ =
Пример: при Iэ = 1 мА, получим – rэ = 25 Ом
Если Uэ = 0 (условие короткого замыкания), тогда
.
Если Iэ = 0 (условие холостого хода), то
r э=
r э=
dU э
ϕ
= T
dI э I э0
ϕT
rк=
dU к dW dα
dW dα dI к
Изменение коэффициента передачи
биполярного транзистора вследствие модуляции
ширины базы при изменении коллекторного
напряжения Uк получило название
“эффект Эрли”
.
U к
2qN D L2 U к
rк =
=
I к
εs ε0 W γI э
ND = 10*15 см-3; L = 0,1 мм; W = 30 мкм,
Uк = 5В, Iэ = 1 мА, εSi = 11,8.
rк 5,2 МОм.
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2024
′
ϕT
dU
= '
=
dI э I э0 ( 1−α ) I э0
7. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода
“эффект Эрли”
dU э
kT / q
|U =
dI э к
Iэ
rк=
dU к
|
dI к I =const
э

11.

Эквивалентная схема биполярных транзисторов во всех режимах работы
Формулы Молла–Эберса являются универсальными соотношениями, которые описывают характеристики
биполярных транзисторов во всех режимах работы
αN – коэффициент передачи
эмиттерного тока.
αI – коэффициент инверсии
Токи эмиттера Jэ и коллектора Jк состоят
из инжектируемого (I1 или I2)
и экстрагируемого (αNI1 или αII2) токов:
J э =I 1 −α I I 2 ,
J к =α N I 1 −I 2 .
Uэ > 0, Uк < 0.
'
αI
I к0
'
I э0
=α N
|Uк| << 0,
J к =α N I э −I к0 ( exp (
еU k
kT
)−1)
kT I э
Uэ =
ln
+1+ αN ( exp(βU к ) 1 )
q
I
э0
J к = αN I э I к0 ; U э =
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2024
kT I э
ln
q I э0

12.

Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме:
семейство коллекторных кривых
Iк = f(Uк) с параметром Iэ:
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2022
J к =α N I э −I к0 ( exp (
еU k
kT
)−1 )

13.

выходные характеристики БТ
в схеме с общей базой,
иллюстрирующие влияние
эффекта Эрли
Коэффициент обратной связи
μэк =
dU к
|
dU э I =const
√
μэк =− 2
э
ε s ε0
ϕI
qN DБ W √ U к
Подставив те же параметры биполярного транзистора, получаем
эк = –1,1 10-5.
Знак “–” в выражении для эк означает, что при увеличении
напряжения на коллекторе Uк происходит уменьшение
напряжения на эмиттере Uэ
Объемное сопротивление базы БТ в схеме с общей базой
определяется чисто геометрическими особенностями
конструкции БТ
rб =
(
R
R
ρ 0,5 1
1
+
ln 2 +
ln 3
2 π W1 W 2 R 1 W 3 R 2
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиР, 2024
)

14.

Вольт-амперные характеристики
вакуумного триода с анализом режима усиления,
Ia(Ua) при различных напряжениях на сетке Ug,
Аналогичные
Вольт-амперные характеристики БТ
в активном режиме:
с семейством коллекторных кривых
Iк = f(Uк) с параметром Iэ:
Аналогия:
Iк = f(Uк) с параметром Iэ
A1
Iа = f(Uа) с параметром Ug
A2
B1 B2
M
UK0
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2024

15.

Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером
В транзисторе в схеме с общим
эмиттером имеет место усиление по
напряжению и по току.
Входные параметры:
ток базы Iб и напряжение на
коллекторе Uк,
Выходные параметры:
ток коллектора Iк и напряжение на
эмиттере Uэ.
I к0
Uк
α
I к=
I +
+
1−α б 1−α (1−α )r к
I э =I б +I к
коэффициентом усиления по току
β=
α
1−α
2
1 W
γ γ
L2
2 L
β=
2 2
2
W
1 W
1 γ + γ
2 L
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2024
a = 0,98 0,99
β = 50 100

16.

Вольт‑амперные характеристики биполярного транзистора КТ215В,
включенного по схеме с общим эмиттером:
а) входные характеристики; б) выходные характеристики
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», кафедра МИТ, ОЭиРМ, 2022