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雙極結型晶體管
來(lái)源：作者：日期：2017-12-19 11:07:57點(diǎn)擊：9140次
雙極結型晶體管
由兩個(gè)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(fā)明的點(diǎn)接觸晶體三極管，50年代初發(fā)展成結型三極管即現在所稱(chēng)的雙極型晶體管。
| 中文名 | 外文名 | 實(shí)質(zhì) | 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(lèi)
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(diǎn)
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(jìn)技術(shù)
10、雙極結型晶體管的制作
11、場(chǎng)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(fā)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(lái)控制。場(chǎng)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(chǎng)效應管。而在允許取一定量電流時(shí)，選用晶體管進(jìn)行放大，可以得到比場(chǎng)效應管高的電壓放大倍數。
雙極結型晶體管的分類(lèi)：
雙極結型晶體管(BJT)種類(lèi)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(fā)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(gè)極：集電極，發(fā)射極和基極，集電極從集電區引出，發(fā)射極從發(fā)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(fā)射極電流能夠通過(guò)基區傳輸到達集電區而實(shí)現的，為了保證這一傳輸過(guò)程，一方面要滿(mǎn)足內部條件，即要求發(fā)射區雜質(zhì)濃度要遠大于基區雜質(zhì)濃度，同時(shí)基區厚度要很小，另一方面要滿(mǎn)足外部條件，即發(fā)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(yáng)極的兩個(gè)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(稱(chēng)這個(gè)PN結為“發(fā)射結”)處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極(稱(chēng)這個(gè)PN結為“集電結”)則處于反向偏置狀態(tài)。在沒(méi)有外加電壓時(shí)，發(fā)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(fā)射結上將形成一個(gè)空間電荷區(也成為耗盡層)，產(chǎn)生一個(gè)內在的電場(chǎng)，其方向由N區指向P區，這個(gè)電場(chǎng)將阻礙上述擴散過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)生，從而達成動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，如果把一個(gè)正向電壓施加在發(fā)射結上，上述載流子擴散運動(dòng)和耗盡層中內在電場(chǎng)之間的動(dòng)態(tài)平衡將被打破，這樣會(huì )使熱激發(fā)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(zhì)，因此在這區域電子被稱(chēng)為“少數載流子”。
從發(fā)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(fā)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(tài)，大部分電子將通過(guò)漂移運動(dòng)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(fā)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(shí)間短于半導體少數載流子的壽命，同時(shí)，基極的厚度必須遠小于電子的擴散長(cháng)度(diffusion length，參見(jiàn)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(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(gè)相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區分開(kāi)來(lái)。
雙極型晶體管的特點(diǎn)：
輸入特性曲線(xiàn)：描述了在管壓降UCE一定的情況下，基極電流iB與發(fā)射結壓降uBE之間的關(guān)系稱(chēng)為輸入伏安特性，可表示為： 硅管的開(kāi)啟電壓約為0.7V，鍺管的開(kāi)啟電壓約為0.3V。
輸出特性曲線(xiàn)：描述基極電流IB為一常量時(shí)，集電極電流iC與管壓降uCE之間的函數關(guān)系?？杀硎緸椋?/div>
雙極型晶體管輸出特性可分為三個(gè)區
5.1.截止區：發(fā)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(gè)開(kāi)關(guān)，這個(gè)狀態(tài)相當于斷開(kāi)狀態(tài)。
5.2.飽和區：發(fā)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(gè)開(kāi)關(guān)，這時(shí)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)。
5.3.放大區：發(fā)射結正偏，集電結反偏。
放大區的特點(diǎn)是：
5.4.IC受IB的控制，與UCE的大小幾乎無(wú)關(guān)。因此三極管是一個(gè)受電流IB控制的電流源。
5.5.特性曲線(xiàn)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(xiàn)為IB=0，表示基極開(kāi)路，IC很小，此時(shí)的IC就是穿透電流ICEO。
5.7.在放大區電流電壓關(guān)系為：UCE=EC-ICRC, IC=βIB
5.8.在放大區管子可等效為一個(gè)可變直流電阻。
極間反向電流：是少數載流子漂移運動(dòng)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(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結結電容的存在，晶體管的交流電流放大系數會(huì )隨工作頻率的升高而下降，當 的數值下降到1時(shí)的信號頻率稱(chēng)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(shí)的集電極電流稱(chēng)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(kāi)路時(shí)，另外兩個(gè)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(guò)此值的管子會(huì )發(fā)生擊穿現象。溫度升高時(shí)，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(cháng)、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(dòng)控制裝置、電子儀器、家用電器等各個(gè)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構圖。每個(gè)晶體管有3個(gè)半導體區，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(lèi)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(jiǎn)圖中，晶體管的每個(gè)區都是均勻摻雜的矩形硅?，F代的雙極型晶體管稍微有點(diǎn)不同，但工作原理還是一樣的。
圖1中也畫(huà)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(méi)有標上箭頭。在圖1簡(jiǎn)化的晶體管中，發(fā)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(fā)射極對調對器件沒(méi)有什么影響。實(shí)際上，這兩個(gè)結有不同的摻雜屬性和幾何形狀，所以不能對調。發(fā)射極靠箭頭和集電極區分開(kāi)來(lái)。
雙極型晶體管能看成是兩個(gè)背靠背連起來(lái)的PN結。晶體管的基極區非常的薄(大約1-12μm)。由于兩個(gè)結靠的非常近，載流子能在復合前從一個(gè)結擴散到另一個(gè)結。因此一個(gè)結的導通對另一個(gè)結也有影響。
圖2(A)中是一個(gè)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(méi)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(gè)結都反向偏置的晶體管稱(chēng)為cutoff狀態(tài)。圖2(B)中有10微安的電流注入基極。這個(gè)電流使得基極-發(fā)射極正向偏置了約0.65伏。這時(shí)雖然基極-集電極還是反向偏置狀態(tài)，但有一個(gè)是基極電流100倍的集電極電流流過(guò)基極-集電極結。這個(gè)電流是正向偏置的基極-發(fā)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(tài)的晶體管，它被稱(chēng)為在forward active區。如果發(fā)射極和集電極相互對調，基極-發(fā)射極變成反向偏置，基極-集電極正向偏置，這個(gè)晶體管稱(chēng)為在reverse active區。實(shí)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(guò)反向偏置的結。只要基極-發(fā)射極變成正向偏置，馬上就有載流子流過(guò)這個(gè)結。流過(guò)這個(gè)結的大多數電流是由重摻雜的發(fā)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(guò)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(gè)阻止多數載流子運動(dòng)的電場(chǎng)幫助少數載流子運動(dòng)。在基極里，電子是少數載流子，所以他們都穿過(guò)了反向偏置的基極-集電極結進(jìn)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(xiàn)端運動(dòng)。所以集電極的電流里主要是順利的從發(fā)射極來(lái)到集電極而沒(méi)有在基極復合的電子。
有些注入到基極的電子也確實(shí)沒(méi)有到達集電極。那些沒(méi)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(xiàn)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，但他們都很快的復合了。這些空穴就是基極引線(xiàn)端電流的第2個(gè)來(lái)源。這些復合的過(guò)程通常消耗不超過(guò)1%的發(fā)射極電流，所以只需要一個(gè)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)：
設計進(jìn)步及封裝技術(shù)的改進(jìn)使開(kāi)發(fā)優(yōu)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(lèi)新器件可滿(mǎn)足當今電子產(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備(如筆記本電腦、數碼相機)及汽車(chē)中的負載切換和電源系統，此類(lèi)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(lái)源。由于集電極電流IC是由應用預先確定的，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晶體管的出現主要歸功于網(wǎng)狀結構發(fā)射極技術(shù)的應用。
網(wǎng)狀結構發(fā)射極(mesh-emitter)設計將發(fā)射極區域擴展到更大面積的區域，同時(shí)使其以網(wǎng)狀結構與基極接觸，因此可降低發(fā)射極串聯(lián)電阻。這樣做的結果是基極驅動(dòng)更為平均，從而可更有效地利用裸片上的發(fā)射極有源區域，并進(jìn)而大大降低集電極-發(fā)射極飽和電壓(如圖4所示)。
在相應的封裝所允許的限制內盡量增大裸片面積可以進(jìn)一步降低器件的損耗。圖5說(shuō)明開(kāi)發(fā)并應用新的引線(xiàn)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(huán)繞在n型發(fā)射極區周?chē)?，且與發(fā)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(huán)繞于發(fā)射極區周?chē)?。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(huán)繞于基極區周?chē)?，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(huán)繞于基極區周?chē)?。隔離結構，位于發(fā)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(kāi)p型基極區與n型井區。
場(chǎng)效應管與雙極性晶體管的比較：
11.1. 場(chǎng)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(chǎng)效應管。
11.2. 場(chǎng)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(huán)境變化較大的場(chǎng)合，采用場(chǎng)效應管比較合適。
11.3. 場(chǎng)效應管除了和晶體管一樣可作為放大器件及可控開(kāi)關(guān)外，還可作壓控可變線(xiàn)性電阻使用。
11.4. 場(chǎng)效應管的源極和漏極在結構上是對稱(chēng)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(chǎng)效應管比晶體管靈活。
雙極型晶體管影響：
是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)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(kāi)路時(shí)集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓，此時(shí)集電結承受的反向電壓。
是集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓，這是發(fā)射結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(kāi)路時(shí)、集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓。由于在基極開(kāi)路時(shí)，集電結是反偏、發(fā)射結是正偏的，即BJT處于放大狀態(tài)。
溫度對的影響： 是集電結加反向電壓時(shí)平衡少子的漂移運動(dòng)形成的，當溫度升高時(shí)，熱運動(dòng)加劇，更多的價(jià)電子有足夠的能量掙脫共價(jià)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(shí)， 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(shí) 增大。
光電三極管：依據光照的強度來(lái)控制集電極電流的大小。
暗電流ICEO：光照時(shí)的集電極電流稱(chēng)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(fā)展歷史：
1947.12.23日第一只點(diǎn)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(xué)高鼎三);1970年硅平面工藝成熟，雙極結型晶體管大批量生產(chǎn)
