双极结型晶体管

 

由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。

 

中文名	外文名	实质	导电
双极型晶体管	Bipolar Junction Transistor	电流控制器件	电子和空穴

 

目录

 

1、双极型晶体管的概述

2、双极结型晶体管的分类

3、双极结型晶体管的结构

4、双极性晶体管的基本原理

5、双极型晶体管的特点

6、双极型晶体管极限参数

7、双极结型晶体管的应用

8、双极型晶体管原理

9、双极晶体管的改进技术

10、双极结型晶体管的制作

11、场效应管与双极性晶体管的比较

12、双极型晶体管影响

13、双极结型晶体管的发展历史

 

 

双极型晶体管的概述：

双极型晶体管内部电流由两种载流子形成，它是利用电流来控制。场效应管是电压控制器件，栅极(G)基本上不取电流，而晶体管的基极总要取一定的电流，所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管。而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大，可以得到比场效应管高的电压放大倍数。

 

 

双极结型晶体管的分类：

 

双极结型晶体管(BJT)种类很多，按照频率分，有高频管，低频管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半导体材料分，有硅管和锗管等;其构成的放大电路形式有：共发射极、共基极和共集电极放大电路。

 

双极结型晶体管的结构：

 

双极结型晶体管的外部引出三个极：集电极，发射极和基极，集电极从集电区引出，发射极从发射区引出，基极从基区引出(基区在中间);BJT有放大作用，重要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电区而实现的，为了保证这一传输过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小，另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置(加正向电压)、集电结要反偏置。4双极结型晶体管的工作区

 

双极性晶体管的基本原理：

 

NPN型双极性晶体管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在双极性晶体管的正常工作状态下，基极-发射极结(称这个PN结为“发射结”)处于正向偏置状态，而基极-集电极(称这个PN结为“集电结”)则处于反向偏置状态。在没有外加电压时，发射结N区的电子(这一区域的多数载流子)浓度大于P区的电子浓度，部分电子将扩散到P区。同理，P区的部分空穴也将扩散到N区。这样，发射结上将形成一个空间电荷区(也成为耗尽层)，产生一个内在的电场，其方向由N区指向P区，这个电场将阻碍上述扩散过程的进一步发生，从而达成动态平衡。这时，如果把一个正向电压施加在发射结上，上述载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破，这样会使热激发电子注入基极区域。在NPN型晶体管里，基区为P型掺杂，这里空穴为多数掺杂物质，因此在这区域电子被称为“少数载流子”。

从发射极被注入到基极区域的电子，一方面与这里的多数载流子空穴发生复合，另一方面，由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄，并且集电结处于反向偏置状态，大部分电子将通过漂移运动抵达集电极区域，形成集电极电流。为了尽量缓解电子在到达集电结之前发生的复合，晶体管的基极区域必须制造得足够薄，以至于载流子扩散所需的时间短于半导体少数载流子的寿命，同时，基极的厚度必须远小于电子的扩散长度(diffusion length，参见菲克定律)。在现代的双极性晶体管中，基极区域厚度的典型值为十分之几微米。需要注意的是，集电极、发射极虽然都是N型掺杂，但是二者掺杂程度、物理属性并不相同，因此必须将双极性晶体管与两个相反方向二极管串联在一起的形式区分开来。

 

双极型晶体管的特点：

 

输入特性曲线：描述了在管压降UCE一定的情况下，基极电流iB与发射结压降uBE之间的关系称为输入伏安特性，可表示为： 硅管的开启电压约为0.7V，锗管的开启电压约为0.3V。

输出特性曲线：描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系。可表示为：

双极型晶体管输出特性可分为三个区

5.1.截止区：发射结和集电结均为反向偏置。IE@0，IC@0，UCE@EC，管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。

5.2.饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。在饱和区IC不受IB的控制，管子失去放大作用，UCE@0，IC=EC/RC，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。

5.3.放大区：发射结正偏，集电结反偏。

放大区的特点是：

5.4.IC受IB的控制，与UCE的大小几乎无关。因此三极管是一个受电流IB控制的电流源。

5.5.特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB对集电极电流IC控制能力的大小，间隔越大表示管子电流放大系数b越大。

5.6.伏安特性最低的那条线为IB=0，表示基极开路，IC很小，此时的IC就是穿透电流ICEO。

5.7.在放大区电流电压关系为：UCE=EC-ICRC, IC=βIB

5.8.在放大区管子可等效为一个可变直流电阻。

极间反向电流：是少数载流子漂移运动的结果。

集电极-基极反向饱和电流ICBO ：是集电结的反向电流。

集电极-发射极反向饱和电流ICEO ：它是穿透电流。

ICEO与CBO的关系：

特征频率 ：由于晶体管中PN结结电容的存在，晶体管的交流电流放大系数会随工作频率的升高而下降，当 的数值下降到1时的信号频率称为特征频率 。

 

双极型晶体管极限参数：

 

6.1.最大集电极耗散功率。

6.2.最大集电极电流：使b下降到正常值的1/2～2/3时的集电极电流称之为集电极最大允许电流。

6.3.极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压，超过此值的管子会发生击穿现象。温度升高时，击穿电压要下降。

双极结型晶体管的应用：

双极型晶体管比电子管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高、已逐步取代电子管。双极型晶体管已广泛用于广播、电视、通信、雷达、电子计算机、自动控制装置、电子仪器、家用电器等各个领域。

 

双极型晶体管原理：

 

虽然二极管是很有用的器件，但它不能放大信号，几乎所有的电路都以某种方式要求放大信号。一种能放大信号的器件就是双极型晶体管(BJT)。

图1是两种双极型晶体管的结构图。每个晶体管有3个半导体区，他们分别是发射极，基极和集电极。基极总是夹在发射极和集电极之间。NPN管由N型的发射极，P型的基极和N型的集电极组成。类似的，PNP管由P型的发射极，N型的基极和P型的集电极组成。在这些简图中，晶体管的每个区都是均匀掺杂的矩形硅。现代的双极型晶体管稍微有点不同，但工作原理还是一样的。

图1中也画出了两种晶体管的电路符号。发射极上的箭头表明了发射极-基极结正向偏置情况下电流的流向。虽然集电极和基极之间也有结，但在集电极上没有标上箭头。在图1简化的晶体管中，发射极-基极结和集电极-基极结看上去是一样的。看上去把集电极和发射极对调对器件没有什么影响。实际上，这两个结有不同的掺杂属性和几何形状，所以不能对调。发射极靠箭头和集电极区分开来。

 

双极型晶体管能看成是两个背靠背连起来的PN结。晶体管的基极区非常的薄(大约1-12μm)。由于两个结靠的非常近，载流子能在复合前从一个结扩散到另一个结。因此一个结的导通对另一个结也有影响。

图2(A)中是一个基极-发射极零偏置，基极-集电极5伏偏置的NPN晶体管。由于没有结是正向偏置，所以晶体管的三端都只有很小的电流。两个结都反向偏置的晶体管称为cutoff状态。图2(B)中有10微安的电流注入基极。这个电流使得基极-发射极正向偏置了约0.65伏。这时虽然基极-集电极还是反向偏置状态，但有一个是基极电流100倍的集电极电流流过基极-集电极结。这个电流是正向偏置的基极-发射极结和反向偏置的基极-集电极结相互作用的结果。处于这种偏置状态的晶体管，它被称为在forward active区。如果发射极和集电极相互对调，基极-发射极变成反向偏置，基极-集电极正向偏置，这个晶体管称为在reverse active区。实际上，晶体管很少工作在这种方式下。

 

图3解释了为什么集电极电流能流过反向偏置的结。只要基极-发射极变成正向偏置，马上就有载流子流过这个结。流过这个结的大多数电流是由重掺杂的发射极注入轻掺杂的基极的电子。大多数电子在他们复合前就扩散通过了很窄的基极区。因为基极-集电极是反向偏置的，所以只有很少的多数载流子能从基极流到集电极。同样的，这个阻止多数载流子运动的电场帮助少数载流子运动。在基极里，电子是少数载流子，所以他们都穿过了反向偏置的基极-集电极结进入集电极。在集电极里，他们又成了多数载流子，往集电极的引线端运动。所以集电极的电流里主要是顺利的从发射极来到集电极而没有在基极复合的电子。

有些注入到基极的电子也确实没有到达集电极。那些没有到达集电极的电子在基极中复合了。基极的复合需要消耗从基极引线端流入的电流里的空穴。也有些空穴从基极注入到了发射极，但他们都很快的复合了。这些空穴就是基极引线端电流的第2个来源。这些复合的过程通常消耗不超过1%的发射极电流，所以只需要一个很小的基极电流就能维持基极-发射极的正向偏置。

 

 

双极晶体管的改进技术：

 

设计进步及封装技术的改进使开发优化的分立半导体器件成为可能，例如低饱和电压晶体管及超低正向压降肖特基整流二极管。此类新器件可满足当今电子产品在散热、效率、空间占用和成本方面的高要求，对于便携式电池供电设备(如笔记本电脑、数码相机)及汽车中的负载切换和电源系统，此类新器件是首选的解决方案。

集电极功耗PC=VCEsat×IC是双极晶体管损耗的重要来源。由于集电极电流IC是由应用预先确定的，因此，器件生产商要想降低晶体管损耗惟一的选择是降低集电极-发射极饱和电压VCEsat。低VCEsat晶体管的出现主要归功于网状结构发射极技术的应用。

网状结构发射极(mesh-emitter)设计将发射极区域扩展到更大面积的区域，同时使其以网状结构与基极接触，因此可降低发射极串联电阻。这样做的结果是基极驱动更为平均，从而可更有效地利用裸片上的发射极有源区域，并进而大大降低集电极-发射极饱和电压(如图4所示)。

 

在相应的封装所允许的限制内尽量增大裸片面积可以进一步降低器件的损耗。图5说明开发并应用新的引线框架和6引脚封装(如SOT457)还可改善器件的散热情况。

 

 

双极结型晶体管的制作：

一种双极结型晶体管元件，此元件的晶体管中的p型井区环绕在n型发射极区周围，且与发射极底部连接，用以作为一基极区。p型基极拾取区与p型基极连接，且环绕于发射极区周围。n型深井区，其与基极区底部以及n型井区的底部连接，用以作为一集电极区。n型井区环绕于基极区周围，并且与n型的深井区连接。n型集电极拾取区连接n型井区，且环绕于基极区周围。隔离结构，位于发射极区与基极区之间以及部分的基极区与部分的n型井区之间。缓冲区位于部分隔离结构下方，且与部分隔离结构共同隔离开p型基极区与n型井区。

 

场效应管与双极性晶体管的比较：

 

11.1. 场效应管是电压控制器件，栅极基本不取电流，而晶体管是电流控制器件，基极必须取一定的电流。因此，丢信号源额定电流极小的情况，应选用场效应管。

11.2. 场效应管是多子导电，而晶体管的两种载流子均参与导电。由于少子的浓度对温度、辐射等外界条件很敏感，因此，对于环境变化较大的场合，采用场效应管比较合适。

11.3. 场效应管除了和晶体管一样可作为放大器件及可控开关外，还可作压控可变线性电阻使用。

11.4. 场效应管的源极和漏极在结构上是对称的，可以互换使用，耗尽型MOS管的栅——源电压可正可负。因此，使用场效应管比晶体管灵活。

 

双极型晶体管影响：

 

是发射极开路时集电极-基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。是基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压，此时集电结承受的反向电压。

是集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压，这是发射结所允许加的最高反向电压。

这是共发射极组态的击穿电压，即基极开路时、集电极与发射极之间的击穿电压。由于在基极开路时，集电结是反偏、发射结是正偏的，即BJT处于放大状态。

温度对的影响： 是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，当温度升高时，热运动加剧，更多的价电子有足够的能量挣脱共价键的束缚，从而使少子的浓度明显增大， 增大。

温度每升高10 时， 增加约一倍。硅管的 比锗管的小得多，硅管比锗管受温度的影响要小。

温度对输入特性的影响：温度升高，正向特性将左移。

温度对输出特性的影响：温度升高时 增大。

光电三极管：依据光照的强度来控制集电极电流的大小。

暗电流ICEO：光照时的集电极电流称为暗电流ICEO，它比光电二极管的暗电流约大两倍;温度每升高25 ，ICEO上升约10倍。

 

双极结型晶体管的发展历史：

1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain);1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley);1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley);1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司(TI);1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖;1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-(吉林大学高鼎三);1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产