8

Физические основы электронной техники

Лабораторная работа

Изучение полупроводниковой n–p–n (p–n–p) структуры

Цель работы–изучение принципа работы полупроводниковой p–n–p (n–p­-n) структуры , измерение ее вольт–амперных характеристик .

Принцип действия полупроводниковой p–n–p структуры

Полупроводниковая p–n–p структура представляет собой два взаимодействующих p–n-перехода, созданных в объеме монокристаллического кремния или германия (рис.1). Два перехода разделяют три области, называемые эмиттером, базой и коллектором. В зависимости от характера примесей в этих областях принято различать n–p–n и p–n–p полупроводниковые структуры. Свойства полупроводниковой p–n–p (n–p-n) структуры лежат в основе принципа действия биполярного транзистора.

Отметим два важных свойства p–n перехода, имеющих решающее значение для работы полупроводниковой p–n–p структуры (транзистора):

1. при относительно небольшом увеличении прямого напряжения на p–n переходе можно получить большой градиент концентрации неосновных носителей заряда и, следовательно, большой диффузионный ток неосновных носителей заряда, которые глубоко диффундируют в нейтральные области базы (инжекция неосновных носителей);

2. в запирающем направлении p–n переход пропускает чрезвычайно малый ток насыщения, который образуется неосновными носителями, генерируемыми в прилегающих к запирающему слою «диффузионных хвостах», а затем в виде дрейфового тока проходящими через запирающий слой. Если неосновные носители образуются не только вследствие тепловой генерации, но и других эффектов (оптическая генерация, внутренний фотоэффект, инжекция, зинеровский пробой), то они вследствие дрейфа также проходят запирающий слой и увеличивают обратный ток p–n перехода.

Таким образом, чувствительность обратного тока к неосновным носителям (эффект собирания носителей, экстракция или «коллекция» носителей) в сочетании с эффектом инжекции носителей, возникающих в другом переходе, и составляет фундаментальный принцип действия полупроводниковой p–n–p структуры или транзистора. Необходимо лишь обеспечит условие, когда диффузионное пространство прямо смещенного перехода одновременно является областью затягивания (экстракции) носителей второго обратно смещенного перехода (рис.1, б)

Задача левого диода состоит в том, чтобы обеспечить мощный диффузионный ток (эмиссию носителей), что требует приложения к его переходу малого прямого напряжения. Задача правого диода состоит в том, чтобы собрать как можно больше носителей заряда из числа инжектированных левым диодом, что успешно осуществляется этим диодом благодаря приложению большого запирающего напряжения. Между обоими переходами существует непрерывное изменение концентрации неосновных носителей от места их эмиссии (инжекции) к месту их «коллекции» (экстракции), или, проще говоря, от эмиттерного к коллекторному переходу. Оба перехода функционально объединяются благодаря наличию общего для них диффузионного пространства (область базы). Для того чтобы диффузионный ток носителей, выходящих из эмиттерного перехода, достигал коллекторного перехода по возможности без рекомбинационных потерь, ширина этого диффузионного пространства (базы) W должна быть значительно меньше диффузионной длины дырок L_p – (речь идет о p–n–p транзисторе).

Рис.1. Схематическое изображение принципа действия полупроводниковой p–n–p структуры:

а–качественное пояснение взаимодействия двух связанных p–n переходов; б–упрощенная модель транзисторной структуры p–n-p типа (p–n–p транзистора); W_ЭБ и W_КБ – толщины запирающих слоев

Чтобы обеспечить возможность приложения к эмиттерному и коллекторному переходам требуемых напряжений смещения, а также чтобы дать возможность протекать току основных носителей, связанному с рекомбинацией, к диффузионному пространству подключается внешний электрод–так называемый электрод базы.

Биполярными транзисторами называются твердотельные элементы с двумя p–n-переходами и тремя внешними выводами. Они представляют собой полупроводниковую p–n–p или n–p–n структуру, заключенную в герметический корпус. Главным отличительным признаком этой группы полупроводниковых элементов является то, что для обеспечения их нормальной работы необходимо иметь носители зарядов двух типов–электроны и дырки. В основе функционирования биполярного транзистора лежит принцип функционирования полупроводниковой p–n–p (n–p–n) структуры.

На рис.2, а изображена полупроводниковая n­–p–n структура. В дальнейшем основное внимание будем уделять наиболее распространенной n–p–n структуре.

Наиболее сильно легированный крайний слой полупроводниковой n–p–n (n⁺–типа) принято называть эмиттером, другой крайний слой (n–типа)–коллектором, а средний слой (p–типа)–базой. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом, p–n-переход между коллектором и базой–коллекторным переходом.

Эмиттерный переход обычно смещается в прямом направлении, а коллекторный–в обратном (нормальное или прямое включение полупроводниковой структуры). Если эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный–в прямом, то такое включение полупроводниковой структуры (биполярного транзистора) называется инверсным или обратным.

Непременным условием нор- мальной работы полупроводниковой структуры является достаточно малая

Рис.2 ширина базы W, необходимо, чтобы

было выполнено условие W<<L (L–диффузионная длина неосновных носителей в базе). Основные свойства полупроводниковой n–p–n структуры определяется процессами в базе. Отметим, что в реальных полупроводниковых структурах (транзисторах) площадь эмиттера всегда меньше площади коллектора.

При прямом смещении эмиттерного перехода снижается потенциальный барьер и происходит инжекция электронов в базу, а также инжекция дырок из базы в эмиттер. За счет инжекции формируется ток эмиттера I_э. Инжектированные электроны проходят базу и, дойдя до коллекторного перехода, экстрагируются (втягиваются электрическим полем) в коллектор. Значит в выходной (коллекторной) цепи потечет ток коллектора I_к. За время прохождения базы часть электронов рекомбинирует, в результате чего образуется ток базы I_б. Изложенное выше позволяет в соответствии с первым законом Кирхгофа записать

(1)

В большинстве практических случаев стремятся уменьшить ток базы, что достигается за счет снижения рекомбинационных процессов в базе. При этом улучшаются усилительные способности полупроводниковой n–p–n структуры (n–p–n транзистора).

Основным параметром полупроводниковой n-p-n структуры является коэффициент усиления (передачи) по току. Для схемы включения на рис.2 (схема включения общая база (ОБ)) коэффициент усиления по току (передачи эмиттерного тока) обозначается буквой a и определяется как отношение выходного тока к входному

(2)

Поскольку I_к < I_э, то a < 1. Величину a стремятся по возможности приблизить к единице. Дл современных биполярных транзисторов a=0.98–0.999. Таким образом, схема ОБ не обеспечивает усиления по току.

Если для полупроводниковой структуры, включенной по схеме рис.2, оборвать цепь эмиттера, то в цепи коллектора будет протекать лишь небольшой обратный ток коллекторного перехода I_КБО (обратный ток протекает по цепи коллектор–база).

Полупроводниковую n–p–n структуру можно включить инверсно как показано на рис.4. Здесь использовано условное обозначение транзистора, принятое при изображении принципиальных электрических схем. Теперь коллекторный переход выполняет роль эмиттерного, а эмиттерный–роль коллекторного. Коэффициент передачи по току при таком включении структуры называется инверсным коэффициентом передачи a_I , который представляет собой отношение тока на эмиттерном переходе (собираемый ток или выходной ток в нашем случае) к току коллекторного перехода (инжектированный или входной ток). Инверсный коэффициент передачи значительно меньше нормального коэффициента передачи a.