Основные физические процессы в транзисторе (нормальный режим)

Физические процессы, происходящие в транзисторе в нормальном режиме работы (V_be > 0, V_hc = 0), иллюстрируются рис. IV. 1.3, на котором представлены распределения неосновных носителей заряда в электропейтральных областях эмиттера, базы и коллектора, распределение токов и энергетическая диаграмма.

Концентрации неосновных носителей на границахр-п переходов определяются приложенными к переходам напряжениями (см. параграф 1.3.4): на границах эмиттерного перехода (V_be ^> 0) Р" ^> РпО' ^пр^{> п}_Ро'^иа границах коллекторного перехода (К^ = 0) р_п — р_п0, п_р — п_р0. Будем считать, что области базы, эмиттера и коллектора легированы однородно. В этом случае распределение неосновных носителей в базе при условии (IV.1.1) близко к линейному, как и в диоде с короткой базой (соотношение (1.5.166), параграф 1.5.3). Токи неосновных носителей через р-п переходы имеют диффузионный механизм (см. параграф 1.5.1) и пропорциональны градиентам концентрации неосновных носителей на границах с ОПЗ. Таким образом, величина этих токов соответствует тангенсам углов наклона функций р"(^х) ^{и п}, Х^х) (т.е. производным dp_n / dr и dn_p / clr) на границах с ОПЗ (рис. IV. 1.3, а). На границах базы с р-п переходами электронная составляющая коллекторного тока 1_Сп несколько меньше, чем эмиттерного тока 1_Еп, так как небольшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, рекомбинирует в базе, не успев достигнуть коллекторного перехода. Поэтому функция dn / dr в базе имеет слабовогнутый характер.

Распределение токов в транзисторе схематично иллюстрируется рис. IV. 1.3, б. Величина каждой составляющей тока представлена шириной соответствующей «ленты». Течения токов показаны стрелками, направление которых соответствует потокам дырок и противоположно потокам электронов. Носители заряда, создающие каждую составляющую тока, также схематично показаны на энергетической диаграмме (рис. IV.1.3, в).

Рис. IV. 1.3. Нормальный режим работы транзистора:

а — распределения неосновных носителей заряда в электронейтральных областях; б — распределение токов; в — энергетическая диаграмма Ток эмиттера является суммой трех составляющих:

где 1_Еп и 1_Ер — токи инжекции электронов и дырок через эмиттерный переход, a I_Erg — ток, связанный с рекомбинацией и термогенерацией носителей заряда в эмиттерном переходе.

(см. параграф 1.2.2). Отметим, что из трех составляющих эмиттерного тока лишь одна, а именно /_?п, связана с транзисторным эффектом. Две другие — 1_Ер и I_Erg — замыкаются по цепи эмиттер—база (рис. IV. 1.3, б, в) и не отражаются на величине коллекторного тока. Поскольку напряжение база—коллектор в нашем примере равно нулю, инжекция электронов из коллектора в базу и дырок из базы в коллектор отсутствует. Поэтому при V_{b (} =0 ток коллектора имеет только электронную составляющую.

Этот ток равен электронной составляющей тока эмиттера 1_Еп за вычетом тока 1_Вг, обусловленного рекомбинацией электронно-дырочных нар в электронейтральной базе. Некоторая часть электронов, инжектированных в базу из эмиттера, успевает рекомбинировать с основными носителями — дырками. Рекомбинация дырок в базе восполняется соответствующим потоком дырок из базового контакта. Поэтому ток 1_Вг, как и токи I_Ep, I_Erg, замыкается по цепи эмиттер—база (см. рис. IV. 1.3, б, «) и не попадает в цепь коллектора.

Таким образом, при V,_№ > 0, 1^=0 ток коллектора составляет.

(см. рис. IV. 1.3, б, в). При запирании коллекторного перехода (V_hc < 0) к коллекторному току добавляется только весьма малый ток, связанный с экстракцией неосновных носителей. Отсюда следует, что в нормальном режиме работы (V_he > 0, V_bc < 0) ток коллектора зависит только от напряжения на эмиттерном переходе.

Физическая причина этого факта состоит в том, что для электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, эмиттерный переход с контактной разностью потенциалов ф_В? является потенциальным барьером (см. рис. IV. 1.3, б, в), высота которого е ((р_ВЕ — V_be) снижается с ростом напряжения V_he, а коллекторный переход — потенциальной ямой, глубина которой е (фn_C-V_hc) хотя и зависит от напряжения V_lK, но не влияет на экстракцию переходом носителей заряда.

На энергетической диаграмме (см. рис. IV. 1.3, в) показано расположение квазиуровней Ферми F_n и F_p в транзисторе при V_hr > 0, V_hc — 0. В коллекторе и в коллекторном переходе концентрации электронов и дырок имеют равновесные значения (V_hr — 0), поэтому F" = F_p. В эмиттере и в базе концентрации неосновных носителей повышены вследствие инжекции электронов в базу из эмиттера, а дырок — в эмиттер из базы (V_he > 0). Ввиду электронейтральности эмиттера и базы настолько же повышены концентрации основных носителей, поэтому F_n > F_p. В эмиттерном переходе квазиуровни Ферми почти параллельны (см. параграф 1.3.2) и сливаются только на омическом контакте к эмиттеру (см. параграф 1.5.3).