雙極結型晶體管

 

由兩個背靠背PN結構成的具有電流放大作用的晶體三極管。起源于1948年發明的點接觸晶體三極管，50年代初發展成結型三極管即現在所稱的雙極型晶體管。

 

中文名	外文名	實質	導電
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、雙極結型晶體管的分類

3、雙極結型晶體管的結構

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

7、雙極結型晶體管的應用

8、雙極型晶體管原理

9、雙極晶體管的改進技術

10、雙極結型晶體管的制作

11、場效應管與雙極性晶體管的比較

12、雙極型晶體管影響

13、雙極結型晶體管的發展歷史

 

 

雙極型晶體管的概述：

雙極型晶體管內部電流由兩種載流子形成，它是利用電流來控制。場效應管是電壓控制器件，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，應該選用場效應管。而在允許取一定量電流時，選用晶體管進行放大，可以得到比場效應管高的電壓放大倍數。

 

 

雙極結型晶體管的分類：

 

雙極結型晶體管(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，按照半導體材料分，有硅管和鍺管等;其構成的放大電路形式有：共發射極、共基極和共集電極放大電路。

 

雙極結型晶體管的結構：

 

雙極結型晶體管的外部引出三個極：集電極，發射極和基極，集電極從集電區引出，發射極從發射區引出，基極從基區引出(基區在中間);BJT有放大作用，重要依靠它的發射極電流能夠通過基區傳輸到達集電區而實現的，為了保證這一傳輸過程，一方面要滿足內部條件，即要求發射區雜質濃度要遠大于基區雜質濃度，同時基區厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發射結要正向偏置(加正向電壓)、集電結要反偏置。4雙極結型晶體管的工作區

 

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下，基極-發射極結(稱這個PN結為“發射結”)處于正向偏置狀態，而基極-集電極(稱這個PN結為“集電結”)則處于反向偏置狀態。在沒有外加電壓時，發射結N區的電子(這一區域的多數載流子)濃度大于P區的電子濃度，部分電子將擴散到P區。同理，P區的部分空穴也將擴散到N區。這樣，發射結上將形成一個空間電荷區(也成為耗盡層)，產生一個內在的電場，其方向由N區指向P區，這個電場將阻礙上述擴散過程的進一步發生，從而達成動態平衡。這時，如果把一個正向電壓施加在發射結上，上述載流子擴散運動和耗盡層中內在電場之間的動態平衡將被打破，這樣會使熱激發電子注入基極區域。在NPN型晶體管里，基區為P型摻雜，這里空穴為多數摻雜物質，因此在這區域電子被稱為“少數載流子”。

從發射極被注入到基極區域的電子，一方面與這里的多數載流子空穴發生復合，另一方面，由于基極區域摻雜程度低、物理尺寸薄，并且集電結處于反向偏置狀態，大部分電子將通過漂移運動抵達集電極區域，形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達集電結之前發生的復合，晶體管的基極區域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴散所需的時間短于半導體少數載流子的壽命，同時，基極的厚度必須遠小于電子的擴散長度(diffusion length，參見菲克定律)。在現代的雙極性晶體管中，基極區域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集電極、發射極雖然都是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在一起的形式區分開來。

 

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與發射結壓降uBE之間的關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之間的函數關系。可表示為：

雙極型晶體管輸出特性可分為三個區

5.1.截止區：發射結和集電結均為反向偏置。IE@0，IC@0，UCE@EC，管子失去放大能力。如果把三極管當作一個開關，這個狀態相當于斷開狀態。

5.2.飽和區：發射結和集電結均為正向偏置。在飽和區IC不受IB的控制，管子失去放大作用，UCE@0，IC=EC/RC，把三極管當作一個開關，這時開關處于閉合狀態。

5.3.放大區：發射結正偏，集電結反偏。

放大區的特點是：

5.4.IC受IB的控制，與UCE的大小幾乎無關。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.在放大區電流電壓關系為：UCE=EC-ICRC, IC=βIB

5.8.在放大區管子可等效為一個可變直流電阻。

極間反向電流：是少數載流子漂移運動的結果。

集電極-基極反向飽和電流ICBO ：是集電結的反向電流。

集電極-發射極反向飽和電流ICEO ：它是穿透電流。

ICEO與CBO的關系：

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

 

雙極型晶體管極限參數：

 

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生擊穿現象。溫度升高時，擊穿電壓要下降。

雙極結型晶體管的應用：

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、電子計算機、自動控制裝置、電子儀器、家用電器等各個領域。

 

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構圖。每個晶體管有3個半導體區，他們分別是發射極，基極和集電極?；鶚O總是夾在發射極和集電極之間。NPN管由N型的發射極，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，晶體管的每個區都是均勻摻雜的矩形硅?，F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。發射極上的箭頭表明了發射極-基極結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，但在集電極上沒有標上箭頭。在圖1簡化的晶體管中，發射極-基極結和集電極-基極結看上去是一樣的?？瓷先グ鸭姌O和發射極對調對器件沒有什么影響。實際上，這兩個結有不同的摻雜屬性和幾何形狀，所以不能對調。發射極靠箭頭和集電極區分開來。

 

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

圖2(A)中是一個基極-發射極零偏置，基極-集電極5伏偏置的NPN晶體管。由于沒有結是正向偏置，所以晶體管的三端都只有很小的電流。兩個結都反向偏置的晶體管稱為cutoff狀態。圖2(B)中有10微安的電流注入基極。這個電流使得基極-發射極正向偏置了約0.65伏。這時雖然基極-集電極還是反向偏置狀態，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。這個電流是正向偏置的基極-發射極結和反向偏置的基極-集電極結相互作用的結果。處于這種偏置狀態的晶體管，它被稱為在forward active區。如果發射極和集電極相互對調，基極-發射極變成反向偏置，基極-集電極正向偏置，這個晶體管稱為在reverse active區。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。只要基極-發射極變成正向偏置，馬上就有載流子流過這個結。流過這個結的大多數電流是由重摻雜的發射極注入輕摻雜的基極的電子。大多數電子在他們復合前就擴散通過了很窄的基極區。因為基極-集電極是反向偏置的，所以只有很少的多數載流子能從基極流到集電極。同樣的，這個阻止多數載流子運動的電場幫助少數載流子運動。在基極里，電子是少數載流子，所以他們都穿過了反向偏置的基極-集電極結進入集電極。在集電極里，他們又成了多數載流子，往集電極的引線端運動。所以集電極的電流里主要是順利的從發射極來到集電極而沒有在基極復合的電子。

有些注入到基極的電子也確實沒有到達集電極。那些沒有到達集電極的電子在基極中復合了?；鶚O的復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射極，但他們都很快的復合了。這些空穴就是基極引線端電流的第2個來源。這些復合的過程通常消耗不超過1%的發射極電流，所以只需要一個很小的基極電流就能維持基極-發射極的正向偏置。

 

 

雙極晶體管的改進技術：

 

設計進步及封裝技術的改進使開發優化的分立半導體器件成為可能，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今電子產品在散熱、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備(如筆記本電腦、數碼相機)及汽車中的負載切換和電源系統，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是由應用預先確定的，因此，器件生產商要想降低晶體管損耗惟一的選擇是降低集電極-發射極飽和電壓VCEsat。低VCEsat晶體管的出現主要歸功于網狀結構發射極技術的應用。

網狀結構發射極(mesh-emitter)設計將發射極區域擴展到更大面積的區域，同時使其以網狀結構與基極接觸，因此可降低發射極串聯電阻。這樣做的結果是基極驅動更為平均，從而可更有效地利用裸片上的發射極有源區域，并進而大大降低集電極-發射極飽和電壓(如圖4所示)。

 

在相應的封裝所允許的限制內盡量增大裸片面積可以進一步降低器件的損耗。圖5說明開發并應用新的引線框架和6引腳封裝(如SOT457)還可改善器件的散熱情況。

 

 

雙極結型晶體管的制作：

一種雙極結型晶體管元件，此元件的晶體管中的p型井區環繞在n型發射極區周圍，且與發射極底部連接，用以作為一基極區。p型基極拾取區與p型基極連接，且環繞于發射極區周圍。n型深井區，其與基極區底部以及n型井區的底部連接，用以作為一集電極區。n型井區環繞于基極區周圍，并且與n型的深井區連接。n型集電極拾取區連接n型井區，且環繞于基極區周圍。隔離結構，位于發射極區與基極區之間以及部分的基極區與部分的n型井區之間。緩沖區位于部分隔離結構下方，且與部分隔離結構共同隔離開p型基極區與n型井區。

 

場效應管與雙極性晶體管的比較：

 

11.1. 場效應管是電壓控制器件，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，應選用場效應管。

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

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

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

 

雙極型晶體管影響：

 

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

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

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

溫度對的影響： 是集電結加反向電壓時平衡少子的漂移運動形成的，當溫度升高時，熱運動加劇，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：依據光照的強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。

 

雙極結型晶體管的發展歷史：

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結和雙極結型晶體管理論-Bell Lab.(Shockley);1951年制造出第一只鍺結型晶體管-Bell Lab.(Shockley);1956年制造出第一只硅結型晶體管-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型晶體管-(吉林大學高鼎三);1970年硅平面工藝成熟，雙極結型晶體管大批量生產