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雙極結(jié)型晶體管

 

由兩個背靠背PN結(jié)構(gòu)成的具有電流放大作用的晶體三極管。起源于1948年發(fā)明的點接觸晶體三極管，50年代初發(fā)展成結(jié)型三極管即現(xiàn)在所稱的雙極型晶體管。

 

中文名	外文名	實質(zhì)	導(dǎo)電
雙極型晶體管	Bipolar Junction Transistor	電流控制器件	電子和空穴

 

目錄

 

1、雙極型晶體管的概述

2、雙極結(jié)型晶體管的分類

3、雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)

4、雙極性晶體管的基本原理

5、雙極型晶體管的特點

6、雙極型晶體管極限參數(shù)

7、雙極結(jié)型晶體管的應(yīng)用

8、雙極型晶體管原理

9、雙極晶體管的改進(jìn)技術(shù)

10、雙極結(jié)型晶體管的制作

11、場效應(yīng)管與雙極性晶體管的比較

12、雙極型晶體管影響

13、雙極結(jié)型晶體管的發(fā)展歷史

 

 

雙極型晶體管的概述：

雙極型晶體管內(nèi)部電流由兩種載流子形成，它是利用電流來控制。場效應(yīng)管是電壓控制器件，柵極(G)基本上不取電流，而晶體管的基極總要取一定的電流，所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下，應(yīng)該選用場效應(yīng)管。而在允許取一定量電流時，選用晶體管進(jìn)行放大，可以得到比場效應(yīng)管高的電壓放大倍數(shù)。

 

 

雙極結(jié)型晶體管的分類：

 

雙極結(jié)型晶體管(BJT)種類很多，按照頻率分，有高頻管，低頻管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半導(dǎo)體材料分，有硅管和鍺管等;其構(gòu)成的放大電路形式有：共發(fā)射極、共基極和共集電極放大電路。

 

雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)：

 

雙極結(jié)型晶體管的外部引出三個極：集電極，發(fā)射極和基極，集電極從集電區(qū)引出，發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出，基極從基區(qū)引出(基區(qū)在中間);BJT有放大作用，重要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸?shù)竭_(dá)集電區(qū)而實現(xiàn)的，為了保證這一傳輸過程，一方面要滿足內(nèi)部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時基區(qū)厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結(jié)要正向偏置(加正向電壓)、集電結(jié)要反偏置。4雙極結(jié)型晶體管的工作區(qū)

 

雙極性晶體管的基本原理：

 

NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽極的兩個二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態(tài)下，基極-發(fā)射極結(jié)(稱這個PN結(jié)為“發(fā)射結(jié)”)處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極(稱這個PN結(jié)為“集電結(jié)”)則處于反向偏置狀態(tài)。在沒有外加電壓時，發(fā)射結(jié)N區(qū)的電子(這一區(qū)域的多數(shù)載流子)濃度大于P區(qū)的電子濃度，部分電子將擴(kuò)散到P區(qū)。同理，P區(qū)的部分空穴也將擴(kuò)散到N區(qū)。這樣，發(fā)射結(jié)上將形成一個空間電荷區(qū)(也成為耗盡層)，產(chǎn)生一個內(nèi)在的電場，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個電場將阻礙上述擴(kuò)散過程的進(jìn)一步發(fā)生，從而達(dá)成動態(tài)平衡。這時，如果把一個正向電壓施加在發(fā)射結(jié)上，上述載流子擴(kuò)散運(yùn)動和耗盡層中內(nèi)在電場之間的動態(tài)平衡將被打破，這樣會使熱激發(fā)電子注入基極區(qū)域。在NPN型晶體管里，基區(qū)為P型摻雜，這里空穴為多數(shù)摻雜物質(zhì)，因此在這區(qū)域電子被稱為“少數(shù)載流子”。

從發(fā)射極被注入到基極區(qū)域的電子，一方面與這里的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復(fù)合，另一方面，由于基極區(qū)域摻雜程度低、物理尺寸薄，并且集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，大部分電子將通過漂移運(yùn)動抵達(dá)集電極區(qū)域，形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達(dá)集電結(jié)之前發(fā)生的復(fù)合，晶體管的基極區(qū)域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴(kuò)散所需的時間短于半導(dǎo)體少數(shù)載流子的壽命，同時，基極的厚度必須遠(yuǎn)小于電子的擴(kuò)散長度(diffusion length，參見菲克定律)。在現(xiàn)代的雙極性晶體管中，基極區(qū)域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集電極、發(fā)射極雖然都是N型摻雜，但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同，因此必須將雙極性晶體管與兩個相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區(qū)分開來。

 

雙極型晶體管的特點：

 

輸入特性曲線：描述了在管壓降UCE一定的情況下，基極電流iB與發(fā)射結(jié)壓降uBE之間的關(guān)系稱為輸入伏安特性，可表示為： 硅管的開啟電壓約為0.7V，鍺管的開啟電壓約為0.3V。

輸出特性曲線：描述基極電流IB為一常量時，集電極電流iC與管壓降uCE之間的函數(shù)關(guān)系。可表示為：

雙極型晶體管輸出特性可分為三個區(qū)

5.1.截止區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置。IE@0，IC@0，UCE@EC，管子失去放大能力。如果把三極管當(dāng)作一個開關(guān)，這個狀態(tài)相當(dāng)于斷開狀態(tài)。

5.2.飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置。在飽和區(qū)IC不受IB的控制，管子失去放大作用，UCE@0，IC=EC/RC，把三極管當(dāng)作一個開關(guān)，這時開關(guān)處于閉合狀態(tài)。

5.3.放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

放大區(qū)的特點是：

5.4.IC受IB的控制，與UCE的大小幾乎無關(guān)。因此三極管是一個受電流IB控制的電流源。

5.5.特性曲線平坦部分之間的間隔大小，反映基極電流IB對集電極電流IC控制能力的大小，間隔越大表示管子電流放大系數(shù)b越大。

5.6.伏安特性最低的那條線為IB=0，表示基極開路，IC很小，此時的IC就是穿透電流ICEO。

5.7.在放大區(qū)電流電壓關(guān)系為：UCE=EC-ICRC, IC=βIB

5.8.在放大區(qū)管子可等效為一個可變直流電阻。

極間反向電流：是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動的結(jié)果。

集電極-基極反向飽和電流ICBO ：是集電結(jié)的反向電流。

集電極-發(fā)射極反向飽和電流ICEO ：它是穿透電流。

ICEO與CBO的關(guān)系：

特征頻率 ：由于晶體管中PN結(jié)結(jié)電容的存在，晶體管的交流電流放大系數(shù)會隨工作頻率的升高而下降，當(dāng) 的數(shù)值下降到1時的信號頻率稱為特征頻率 。

 

雙極型晶體管極限參數(shù)：

 

6.1.最大集電極耗散功率。

6.2.最大集電極電流：使b下降到正常值的1/2～2/3時的集電極電流稱之為集電極最大允許電流。

6.3.極間反向擊穿電壓：晶體管的某一電極開路時，另外兩個電極間所允許加的最高反向電壓即為極間反向擊穿電壓，超過此值的管子會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。溫度升高時，擊穿電壓要下降。

雙極結(jié)型晶體管的應(yīng)用：

雙極型晶體管比電子管體積小、重量輕、耗電少、壽命長、可靠性高、已逐步取代電子管。雙極型晶體管已廣泛用于廣播、電視、通信、雷達(dá)、電子計算機(jī)、自動控制裝置、電子儀器、家用電器等各個領(lǐng)域。

 

雙極型晶體管原理：

 

雖然二極管是很有用的器件，但它不能放大信號，幾乎所有的電路都以某種方式要求放大信號。一種能放大信號的器件就是雙極型晶體管(BJT)。

圖1是兩種雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)圖。每個晶體管有3個半導(dǎo)體區(qū)，他們分別是發(fā)射極，基極和集電極?；鶚O總是夾在發(fā)射極和集電極之間。NPN管由N型的發(fā)射極，P型的基極和N型的集電極組成。類似的，PNP管由P型的發(fā)射極，N型的基極和P型的集電極組成。在這些簡圖中，晶體管的每個區(qū)都是均勻摻雜的矩形硅?，F(xiàn)代的雙極型晶體管稍微有點不同，但工作原理還是一樣的。

圖1中也畫出了兩種晶體管的電路符號。發(fā)射極上的箭頭表明了發(fā)射極-基極結(jié)正向偏置情況下電流的流向。雖然集電極和基極之間也有結(jié)，但在集電極上沒有標(biāo)上箭頭。在圖1簡化的晶體管中，發(fā)射極-基極結(jié)和集電極-基極結(jié)看上去是一樣的?？瓷先グ鸭姌O和發(fā)射極對調(diào)對器件沒有什么影響。實際上，這兩個結(jié)有不同的摻雜屬性和幾何形狀，所以不能對調(diào)。發(fā)射極靠箭頭和集電極區(qū)分開來。

 

雙極型晶體管能看成是兩個背靠背連起來的PN結(jié)。晶體管的基極區(qū)非常的薄(大約1-12μm)。由于兩個結(jié)靠的非常近，載流子能在復(fù)合前從一個結(jié)擴(kuò)散到另一個結(jié)。因此一個結(jié)的導(dǎo)通對另一個結(jié)也有影響。

圖2(A)中是一個基極-發(fā)射極零偏置，基極-集電極5伏偏置的NPN晶體管。由于沒有結(jié)是正向偏置，所以晶體管的三端都只有很小的電流。兩個結(jié)都反向偏置的晶體管稱為cutoff狀態(tài)。圖2(B)中有10微安的電流注入基極。這個電流使得基極-發(fā)射極正向偏置了約0.65伏。這時雖然基極-集電極還是反向偏置狀態(tài)，但有一個是基極電流100倍的集電極電流流過基極-集電極結(jié)。這個電流是正向偏置的基極-發(fā)射極結(jié)和反向偏置的基極-集電極結(jié)相互作用的結(jié)果。處于這種偏置狀態(tài)的晶體管，它被稱為在forward active區(qū)。如果發(fā)射極和集電極相互對調(diào)，基極-發(fā)射極變成反向偏置，基極-集電極正向偏置，這個晶體管稱為在reverse active區(qū)。實際上，晶體管很少工作在這種方式下。

 

圖3解釋了為什么集電極電流能流過反向偏置的結(jié)。只要基極-發(fā)射極變成正向偏置，馬上就有載流子流過這個結(jié)。流過這個結(jié)的大多數(shù)電流是由重?fù)诫s的發(fā)射極注入輕摻雜的基極的電子。大多數(shù)電子在他們復(fù)合前就擴(kuò)散通過了很窄的基極區(qū)。因為基極-集電極是反向偏置的，所以只有很少的多數(shù)載流子能從基極流到集電極。同樣的，這個阻止多數(shù)載流子運(yùn)動的電場幫助少數(shù)載流子運(yùn)動。在基極里，電子是少數(shù)載流子，所以他們都穿過了反向偏置的基極-集電極結(jié)進(jìn)入集電極。在集電極里，他們又成了多數(shù)載流子，往集電極的引線端運(yùn)動。所以集電極的電流里主要是順利的從發(fā)射極來到集電極而沒有在基極復(fù)合的電子。

有些注入到基極的電子也確實沒有到達(dá)集電極。那些沒有到達(dá)集電極的電子在基極中復(fù)合了。基極的復(fù)合需要消耗從基極引線端流入的電流里的空穴。也有些空穴從基極注入到了發(fā)射極，但他們都很快的復(fù)合了。這些空穴就是基極引線端電流的第2個來源。這些復(fù)合的過程通常消耗不超過1%的發(fā)射極電流，所以只需要一個很小的基極電流就能維持基極-發(fā)射極的正向偏置。

 

 

雙極晶體管的改進(jìn)技術(shù)：

 

設(shè)計進(jìn)步及封裝技術(shù)的改進(jìn)使開發(fā)優(yōu)化的分立半導(dǎo)體器件成為可能，例如低飽和電壓晶體管及超低正向壓降肖特基整流二極管。此類新器件可滿足當(dāng)今電子產(chǎn)品在散熱、效率、空間占用和成本方面的高要求，對于便攜式電池供電設(shè)備(如筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī))及汽車中的負(fù)載切換和電源系統(tǒng)，此類新器件是首選的解決方案。

集電極功耗PC=VCEsat×IC是雙極晶體管損耗的重要來源。由于集電極電流IC是由應(yīng)用預(yù)先確定的，因此，器件生產(chǎn)商要想降低晶體管損耗惟一的選擇是降低集電極-發(fā)射極飽和電壓VCEsat。低VCEsat晶體管的出現(xiàn)主要歸功于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)射極技術(shù)的應(yīng)用。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)射極(mesh-emitter)設(shè)計將發(fā)射極區(qū)域擴(kuò)展到更大面積的區(qū)域，同時使其以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與基極接觸，因此可降低發(fā)射極串聯(lián)電阻。這樣做的結(jié)果是基極驅(qū)動更為平均，從而可更有效地利用裸片上的發(fā)射極有源區(qū)域，并進(jìn)而大大降低集電極-發(fā)射極飽和電壓(如圖4所示)。

 

在相應(yīng)的封裝所允許的限制內(nèi)盡量增大裸片面積可以進(jìn)一步降低器件的損耗。圖5說明開發(fā)并應(yīng)用新的引線框架和6引腳封裝(如SOT457)還可改善器件的散熱情況。

 

 

雙極結(jié)型晶體管的制作：

一種雙極結(jié)型晶體管元件，此元件的晶體管中的p型井區(qū)環(huán)繞在n型發(fā)射極區(qū)周圍，且與發(fā)射極底部連接，用以作為一基極區(qū)。p型基極拾取區(qū)與p型基極連接，且環(huán)繞于發(fā)射極區(qū)周圍。n型深井區(qū)，其與基極區(qū)底部以及n型井區(qū)的底部連接，用以作為一集電極區(qū)。n型井區(qū)環(huán)繞于基極區(qū)周圍，并且與n型的深井區(qū)連接。n型集電極拾取區(qū)連接n型井區(qū)，且環(huán)繞于基極區(qū)周圍。隔離結(jié)構(gòu)，位于發(fā)射極區(qū)與基極區(qū)之間以及部分的基極區(qū)與部分的n型井區(qū)之間。緩沖區(qū)位于部分隔離結(jié)構(gòu)下方，且與部分隔離結(jié)構(gòu)共同隔離開p型基極區(qū)與n型井區(qū)。

 

場效應(yīng)管與雙極性晶體管的比較：

 

11.1. 場效應(yīng)管是電壓控制器件，柵極基本不取電流，而晶體管是電流控制器件，基極必須取一定的電流。因此，丟信號源額定電流極小的情況，應(yīng)選用場效應(yīng)管。

11.2. 場效應(yīng)管是多子導(dǎo)電，而晶體管的兩種載流子均參與導(dǎo)電。由于少子的濃度對溫度、輻射等外界條件很敏感，因此，對于環(huán)境變化較大的場合，采用場效應(yīng)管比較合適。

11.3. 場效應(yīng)管除了和晶體管一樣可作為放大器件及可控開關(guān)外，還可作壓控可變線性電阻使用。

11.4. 場效應(yīng)管的源極和漏極在結(jié)構(gòu)上是對稱的，可以互換使用，耗盡型MOS管的柵——源電壓可正可負(fù)。因此，使用場效應(yīng)管比晶體管靈活。

 

雙極型晶體管影響：

 

是發(fā)射極開路時集電極-基極間的反向擊穿電壓，這是集電結(jié)所允許加的最高反向電壓。是基極開路時集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓，此時集電結(jié)承受的反向電壓。

是集電極開路時發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓，這是發(fā)射結(jié)所允許加的最高反向電壓。

這是共發(fā)射極組態(tài)的擊穿電壓，即基極開路時、集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓。由于在基極開路時，集電結(jié)是反偏、發(fā)射結(jié)是正偏的，即BJT處于放大狀態(tài)。

溫度對的影響： 是集電結(jié)加反向電壓時平衡少子的漂移運(yùn)動形成的，當(dāng)溫度升高時，熱運(yùn)動加劇，更多的價電子有足夠的能量掙脫共價鍵的束縛，從而使少子的濃度明顯增大， 增大。

溫度每升高10 時， 增加約一倍。硅管的 比鍺管的小得多，硅管比鍺管受溫度的影響要小。

溫度對輸入特性的影響：溫度升高，正向特性將左移。

溫度對輸出特性的影響：溫度升高時 增大。

光電三極管：依據(jù)光照的強(qiáng)度來控制集電極電流的大小。

暗電流ICEO：光照時的集電極電流稱為暗電流ICEO，它比光電二極管的暗電流約大兩倍;溫度每升高25 ，ICEO上升約10倍。

 

雙極結(jié)型晶體管的發(fā)展歷史：

1947.12.23日第一只點接觸晶體管誕生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain);1949年提出PN結(jié)和雙極結(jié)型晶體管理論-Bell Lab.(Shockley);1951年制造出第一只鍺結(jié)型晶體管-Bell Lab.(Shockley);1956年制造出第一只硅結(jié)型晶體管-美得洲儀器公司(TI);1956年Bardeen、Shockley、Brattain獲諾貝爾獎;1956年中國制造出第一只鍺結(jié)型晶體管-(吉林大學(xué)高鼎三);1970年硅平面工藝成熟，雙極結(jié)型晶體管大批量生產(chǎn)