Есть множество материалов написанных о работе полупроводников и работе транзисторов.
Зачем еще одна?
Дело в том, что я заметил такую тенденцию в вузовских учебниках – довольно подробное описание работы p-n перехода и очень поверхностное описание работы биполярного транзистора. Зачастую «механика» работы такого транзистора описывается довольно схематично (в совершенно неработоспособном виде) и далее следует быстрый переход на описание внешних параметров. Причем у этих же авторов описание «механики» работы полевого транзистора дается куда обширнее. Видимо, авторы учебников сами не очень «догоняют», как там все работает. И это не удивительно. Человечество вначале эры полупроводников пыталось повторить схему работы вакуумной лампы на полупроводниках, т.к. работа лампы достаточно логична. И собственно полевые транзисторы, в какой-то степени повторяют принцип работы вакуумных ламп. Но вот биполярный транзистор, хотя и был изобретен первым, но это было скорее случайное изобретение, а не осознанный путь к цели.
И даже после изобретения биполярного транзистора, сами его изобретатели не сразу поняли принцип его работы, хотя это были довольно продвинутые люди в области полупроводников.
Вот типичная иллюстрация (условно) из вузовского учебника
Что же не ясно в этом биполярном транзисторе? Черная толстая стрелка – это коллекторный ток, тонкая черная стрелка ток базы. Сумма этих токов идет через эмиттер. Белыми стрелками показано движение электронов. Все расходимся?
Подождите, у меня вопрос: почему через коллекторный p-n переход, включенный в обратном направлении, течет ток, да еще и самый, что не на есть главный рабочий ток?
Для справки: коллекторный p-n переход – это переход между базой и коллектором, на схеме изображен, как граница между синей (коллектор n-типа) и красной (база p-типа) областью. Обратное направление – это когда к n-типу подключен «+», а к p-типу подключен «-»
И еще вопрос: почему электроны, которые для базы являются неосновными носителями, вдруг стали вполне себе главными представителями тока?
Для справки: на приведенной схеме база представлена полупроводником p-типа. Основными носителями тока для полупроводника p-типа являются дырки, электроны — это основные носители для полупроводника n-типа. Если что, «дырки» — это вполне официальный термин для полупроводников.
Почему бы основным носителям тока в базе (дыркам) не потечь навстречу электронам через открытый эмиттерный p-n переход? И таким образом ток из базы в эмиттер, а это ток открытого p-n перехода, был бы не таким уж у маленьким.
Ну и совсем «подковыристый» вопрос, который вообще редко поднимается в учебниках (потому что это скорее схемотехнический вопрос): почему при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, когда транзистор полностью открыт (находится в режиме насыщения), напряжение на коллекторе становится меньше напряжения базы?
Почему бы напряжению между эмиттером и коллектором не держаться на уровне чуть выше напряжения базы? Ведь если смотреть на транзистор с точки зрения пирога n-p-n переходов (как на картинке), то мы имеем один переход включенный в прямом направлении (на картинке эмиттерный), и напряжение на таком переходе не должно падать ниже определенного значения, например, для кремния это 0,6-0,7В. А у нас еще имеется коллекторный переход, включенный последовательно с эмиттерным переходом, да еще и в обратном направлении. Т.е. получается, что напряжение на двух последовательно включенных p-n переходах оказывается меньше, чем напряжение на одном переходе! Вроде абсурд получается.
Давайте разбираться.
Начнем с «базы», как указывает «полупроводник» с КДПВ. Ну а что у нас является «базой» в полупроводниках? Правильно – p-n переходы. Ну тут ничего сложного нет – это просто переходы от полупроводника с p-проводимостью в полупроводник с n-проводимостью. Всего-то. Вот только человечеству потребовалось почти 150 лет, с того времени как обратили внимание на полупроводники, чтобы дойти до этой простой мысли. Но не будем растекаться по древу истории науки.
Для начала давайте посмотрим на коллекторный p-n переход. Он включен у нас в обратном направлении.
Одна из ключевых деталей в принципе работы биполярного транзистора – это обратный ток p-n перехода. Если включить p-n переход в обратном направлении, то будет наблюдаться небольшой обратный ток, который почти не зависит от приложенного обратного напряжения (до некоторого предела, после которого наблюдается пробой и ток резко растет). Этот ток возникает из-за тепловой генерации пары электронов проводимости и дырок в районе p-n перехода. Они втягиваются из той части, где они не основные в ту часть, где они основные носители. Т.е. дырки из n-области в p-область, а электроны проводимости из p-области в n-область. А так как из-за температуры генерируется небольшое количество этих пар, то и ток (обратный), создаваемый этими носителями небольшой. Это хорошо видно на графике тока p-n перехода в зависимости от приложенного напряжения.
Дело в том, что для неосновных носителей как бы вообще не существует p-n перехода. Более того, разность потенциалов, присутствующая на p-n переходе, которая расталкивает основные носители тока, эта же разность потенциалов затягивает неосновные носители. Для них нет никаких преград, одни благоприятствования. Даже не нужно прикладывать дополнительного внешнего поля, неосновные носители двигаются через p-n переход под действием поля самого этого перехода (кстати, на этих принципах работают солнечные панели). Сколько этих неосновных носителей образуется (и не успеет рекомбинировать) – все они и будут двигаться без препятствий. Эта важнейшая особенность p-n переходов которую, нужно было бы «отлить в граните».
И если сравнить графики тока коллектора в зависимости от напряжения на коллекторе, с графиком обратного тока p-n перехода, то можно заметить, что форма графика обратного тока практически идентичные (если повернуть график тока p-n перехода на 180 градусов).
И это не просто совпадение – это и есть обратный ток p-n перехода, в данном случае коллекторного. Если ток базы равен нулю – то через коллектор течет очень небольшой обратный ток, как у закрытого p-n перехода. По сути, это ток тепловой генерации пар электрон-дырка.
Если же увеличить ток базы, то график обратного тока коллектора начинает подниматься (сдвигаться вверх). Т.е. растет обратный ток, причем этот ток мало зависит от приложенного к коллектору напряжения (до некоторого предела, точно так же, как и обратный ток p-n перехода), потому что не напряжение определяет количество «прокачиваемых» носителей тока, а доступное количество этих носителей. Т.е. как их не разгоняй напряжением, больше их не придет на выход, если на входе их только столько, сколько есть. Как аналогию, можно представить себе трубу, по которой прокачивается воздух. Какой бы сильный поток воздуха не был создан в трубе, если ровно раз в секунду на вход подавать по одному перышку, то ровно по одному перышку в секунду будет вылетать на выходе из трубы. Электрический ток – это как раз и есть количество электрических зарядов, прошедших через проводник/полупроводник в единицу времени. Этот ток p-n перехода база-коллектор создают неосновные носители – как уже было сказано выше для них не существует преграды в виде p-n перехода, включенного в обратном направлении.
Откуда же берутся эти неосновные носители на коллекторном p-n переходе в таких «товарных» количествах?
Во-первых, хочется сказать несколько слов о терминологии. Из-за слова «неосновные» создается впечатление, что это какие-то побочные, неважные, которые существуют на уровне погрешности. Но это совсем не так! Неосновные они только с точки зрения отдельного куска полупроводникового материала. Так принято говорить, что для n-типа основные – это электроны проводимости. Я их часто буду называть «свободные» электроны, т.к. они не связаны ковалентными связями. А для p-типа основные это дырки, т.е. незаполненные места в ковалентных связях.
Если же у нас есть полупроводниковый материал, в котором существуют области, как n-типа, так и p-типа, то все очень сильно усложняется. Может случиться так, что те, что являются основными носителями, станут довольно-таки побочными и не решающими.
Давайте теперь рассмотрим, что происходит на эмиттерном p-n переходе.
Когда к эмиттерному переходу не приложено внешнее напряжение на этом переходе возникает барьерное поле. А точнее это барьерное поле создает сам p-n переход.
Возникает оно из-за того, что электроны донорной примеси в области n-типа, не закрепленные в ковалентных связях (т.к. кол-во возможных ковалентных связей у основного материала кристалла меньше, чем кол-во электронов у атома донора, способных на ковалентную связь), блуждают по кристаллу полупроводника. Например, у атома кремния есть 4 атома способных на ковалентную связь, а у типичного донора - атома фосфора 5 электронов, способных на ковалентную связь. Блуждая так, они попадают в область p-типа, т.е. в область, где возможных ковалентных связей больше, чем электронов (т.к. атомы акцепторных примесей не заполняют все возможные ковалентные связи). И вот, эти блуждающие свободные электроны, оказавшись рядом с атомом акцепторной примеси, «сваливаются в дырки», т.е. в незаполненные ковалентные связи этого атома.
«Сваливаются» - в данном контексте означает сбрасывают с себя часть энергии, т.к. сидеть в ковалентных связях энергетически менее затратно, чем блуждать по кристаллу. Но, т.к. оказавшись в ковалентной связи между нейтральными атомами (и атомы кристалла полупроводника, и атомы акцепторной примеси - нейтральны) этот электрон создает локальный, закрепленный в этом месте области p-типа, отрицательный заряд.
А то место, в области n-типа, откуда он ушел (рядом с атомом донорной примеси), становится локальным положительным зарядом. Расстояние между тем местом откуда ушел электрон и тем местом, где он нашел «дырку», куда свалиться, очень небольшое - от долей микрометра, до единиц микрометра. Таким образом между этими точками (на рисунке обведены красными кружками), разнесенными в пространстве на расстояние порядка микрометра, откуда ушел электрон, унеся с собой часть отрицательного заряда донора, и где он «свалился в дырку», закрепив этот унесенный отрицательный заряд, возникает электрическое поле. Это поле препятствует дальнейшему перемещению блуждающих электронов от донорных атомом в ту область, где есть незаполненные ковалентные связи, т.е. область p-типа. По сути, это поле и есть p-n переход.
Вообще, p-области и n-области определяются количеством примесей. Где больше акцепторов – там будет p-область, а где больше доноров, там будет n-область. Технологически берут кристалл, в котором, например, доноры равномерно распределены по всему объему, т.е. кристалл n-типа. Далее, для создания p-области и p-n перехода каким-либо способом наполняют нужную часть кристалла акцепторами. Количество акцепторов подбирают так, чтобы их оказалось больше, чем доноров в этом нужном месте кристалла. Для примера, на рисунке видно, что в p-области 1 донор, против 6-ти акцепторов. В области p-n перехода количество доноров и акцепторов одинаково – 2 донора и 2 акцептора. В n-области 3 донора и нет акцепторов.
Еще очень важный момент – это то, что кристаллическая решетка полупроводника едина, поэтому не только свободные от ковалентных связей электроны могут легко блуждать по ней, но и что очень важно для полупроводников, это то, что электроны, находящиеся в ковалентных связях, могут перепрыгивать в соседнюю ковалентную связь, если там есть свободное место, т.е. если там есть дырка. Все это обеспечивается единством кристаллической решетки. Если в этой решетке будут какие-либо нарушения, то движение дырок (электронов в ковалентных связях) будет очень сильно ограниченно. Поэтому в полупроводниковой промышленности так важны материалы в виде огромных монолитных кристаллов без каких-либо нарушений в кристаллической решетке. Их получение – это сложный тех процесс.
Все что мешает блуждать свободным электронам и дыркам (т.е. незаполненным местам в ковалентных связях) – это созданный ими же барьер в виде электрического поля (p-n перехода). Само же, и движение, и нахождение, как в области p-типа, так и области n-типа ничем не запрещено. Т.е. p-n переход — это не какая-то структурная граница в кристалле, и не «склеенный» конструктив из разных полупроводниковых материалов, а именно локальное электрическое поле в едином кристалле.
Вот это локальное электрическое поле препятствует движению основных носителей. Свободные электроны из n-области «усевшись» в ковалентных связях в p-области не дают своим собратьям дальше двигаться по кристаллу.
Так как в кристалле присутствует это электрическое поле, то n-область получает более положительный потенциал, чем p-область.
Если теперь начать «перекачивать» (с помощью источника напряжения) электроны из области p-типа в область n-типа, то с какого бы места мы на забирали электроны, оставшиеся там, будут стремиться заполнить освободившееся место. Причем так, чтобы не было пространственной разности потенциалов. В том числе из областей рядом с p-n переходом. Общий отрицательный потенциал в p-области будет уменьшаться, а в n-область, куда источником напряжения будут «накачиваться» электроны, будет уменьшаться общий положительный потенциал.
Так «перекачивая» электроны из p-области в n-область, мы уменьшаем барьер, т.е. открываем p-n переход. Когда электроны смогут пройти этот барьер – появится заметный ток.
Источнику напряжения все равно – дырками или свободными электронами обеспечивается прокачка. В любом случае он «прокачает» электроны.
А вот внутри транзистора очень важно кто будет переносить заряд – иначе ничего работать не будет. Ведь если по базе p-типа в основном будут двигаться дырки – они не смогут пройти через закрытый для них коллекторный p-n переход. Надо каким-то образом сделать так, чтобы по p-базе переносили заряд свободные электроны.
Поэтому важно разобраться, как сделать один ли другой носитель заряда (дырки или свободные электроны) отвечающим за ток в системе p-n переходов.
Ведь как свободные электроны, так как дырки, могут переносить заряд. Здесь стоит обратить внимание на то, что дырки – это условный носитель заряда, на самом деле это отсутствующий в ковалентной связи электрон. Но свободные электроны и дырки все же это независимые друг от друга носители заряда. У дырок и электронов разный уровень энергии - они движутся по разным «этажам» энергии. Дырки движутся по ковалентным связям, а свободные электроны в межатомном пространстве.
Чтобы сделать какой-то носитель заряда, главным носителем тока, делают одну из областей значительно более насыщенной нужными носителями. Например, нам надо, чтобы свободные электроны были носителями тока в p-базе. Тогда делают область n-эмиттера очень насыщенной донорами. В терминологии полупроводниковых технологий это называется область «n+»-типа. Благодаря этому, когда открывается p-n переход эмиттера, свободные электроны могут долго находиться в области p-базы, потому что там будет мало дырок, куда они могли бы «свалится». И наоборот дырки, оказавшись в области «n+»-эмиттера быстро заполняются свободными электронами. Зачастую они даже не успевают дойти до области эмиттера, т.к. поглощаются еще в области p-n перехода, потому что основная протяженность этого перехода находится в той области, где насыщенность носителями меньше. На картинке, разница в количествах носителей в n+ и р-области можно сказать несущественна, на практике она достигает сотен и тысяч раз. Т.е. на один носитель одного типа в противоположной области будет сотни и тысячи носителей другого. Соответственно и протяженность p-n перехода с одной и другой сторон будет отличаться в сотни и тысячи раз.
И если сделать так, чтобы свободные электроны в p-базе, не успев «свалиться» в дырки оказались у «прозрачного» для них коллекторного p-n перехода (который закрыт для дырок) – они, войдя в этот «прозрачный» переход втягиваются полем этого перехода в n-область коллектора, где они чувствуют себя «как дома». Всё - цепь замкнулась. Дальше источник напряжения «перекидывает» эти свободные электроны опять в эмиттер.
Сделать p-базу «безопасной» для прохода свободных электронов можно, сделав ее узкой. Или сделать коллекторный переход рядом с эмиттерным.
Теперь «перекачивая» небольшое количество электронов из базы в эмиттер, т.е. создавая на контакте базы немного дырок, мы повышаем потенциал p-базы и уменьшаем потенциал n-эмиттера. Так мы открываем эмиттерный p-n переход. Из «n+»-эмиттера в базу хлынут электроны.
Время от времени они будут «сваливаться» в дырки базы, но мы будем пополнять дырки снова и снова.
Своим присутствием в базе эти электроны создадут объемный заряд – под действием этого заряда свободные электроны будут «разбегаться» во все стороны от эмиттера, т.е. появится диффузия свободных электронов. Кроме этого, они будит иметь направление движение в сторону коллектора под действием поля, созданного напряжением приложенного к коллектору. А так как расстояние до коллекторного p-n перехода значительно меньше, чем до контакта базы, то большая часть свободных электронов уйдет в «прозрачный» для них коллекторный переход, включенный в обратном направлении. В области n-коллектора их подхватит поле, созданное источником напряжения, подключенного к контакту коллектора.
Остался последний вопрос. Почему в схеме с общим эмиттером, когда транзистор полностью открыт напряжении на двух последовательно включенных p-n переходах (эмиттерном и коллекторном) оказывается меньше, чем на одном эмиттерном p-n переходе?
Давайте посмотрим, как развиваются процессы, когда увеличивается ток коллектора в транзисторе n-p-n, включенном по схеме с общим эмиттером. С ростом этого тока падение напряжения на нагрузке (например, резисторе R, как на схеме), включённой в коллекторную цепь, растет. И в некоторый момент падение напряжение на нагрузке достигает такого уровня, что падение напряжения между эмиттером и коллектором становится равным или меньшим, чем напряжение между эмиттером и базой. В этот момент коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении. Это означает, что снимается барьер коллекторного перехода для основных носителей базы – дырок. Теперь не только свободные электроны могут проходить через коллекторный переход, но и дырки из базы – ток базы растет не только из-за рекомбинации дырок и свободных электронов в теле базы, но и за счет того, что дырки под действием электрического поля базы отправляются в коллектор.
Область эмиттера и коллектора оказываются практически на эквипотенциальных линиях поля базы (на рисунке белые изогнутые линии). Транзистор, как бы «складывается» в точке подключения контакта базы – эмиттер и коллектор почти сливаются в одно целое. Если следовать по линиям напряженности электрического поля базы (на рисунке обозначена красной пунктирной линией) от эмиттера к базе потенциал растет от 0В до 0.7В, далее от базы к коллектору – потенциал падает от 0.7В до 0.1В.
Около эмиттера существует объемный заряд электронов, инжектированных в базу. Под действием этого заряда инжектированные электроны отталкиваются друг от друга в разные стороны. И хотя разность потенциалов между эмиттером и коллектором, создаваемая этим объемным зарядом невелика, но расстояние между эмиттером и коллектором тоже небольшое, поэтому напряженность поля в направлении от эмиттера к коллектору значительно больше, чем к базе. Соответственно, больше и сила, действующая на электроны в направлении от эмиттера к коллектору. Тем более, разность потенциалов, создаваемых базой в промежутке между эмиттером и коллектором от правого до левого края этого промежутка тоже не велика, поэтому основная часть инжектированных электронов попадает в коллектор и далее выходит в нагрузку.
Вот так "крутятся шестеренки" в биполярном транзисторе. Возможны и другие комбинации этой конструкции. Главное, когда понятен принцип работы - можно понять и другие пространственные варианты.
UPD: Изменил название статьи для лучшей релевантности и поиска