晶體三極管基本概述

晶體管是一種與其他電路元件結(jié)合使用時(shí)可產(chǎn)生電流增益、電壓增益和信號(hào)功率增益的多結(jié)半導(dǎo)體器件。因此，晶體管稱為有源器件，而二極管稱為無(wú)源器件。晶體管的基本工作方式是在其兩端施加電壓時(shí)控制另一端的電流。晶體管兩種主要類型：雙極型晶體管(BJT)和場(chǎng)效應(yīng)管(FET)。雙極晶體管(Bipolar Junction Transistor-BJT)作為兩種主要類型的晶體管之一，又稱為半導(dǎo)體三極管、晶體三極管，簡(jiǎn)稱晶體管。它由兩個(gè)PN結(jié)組合而成，有兩種載流子參與導(dǎo)電是一種電流控制電流源器件。晶體三極管主要應(yīng)用于檢波、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制和許多其它功能。

晶體三極管的分類

按照晶體三極管擴(kuò)散區(qū)半導(dǎo)體材料不同，可分為NPN型晶體三極管和PNP型晶體三極管，如圖1所示。晶體三極管有三個(gè)摻雜不同的擴(kuò)散區(qū)和兩個(gè)PN結(jié)，三端分別稱為發(fā)射極E(Emitter)、基極B(Base)和集電極C(Collector)。發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)。晶體管電路符號(hào)中的箭頭方向代表PN結(jié)的方向(即發(fā)射極的電流方向)。

晶體三極管結(jié)構(gòu)圖解(以NPN型晶體管為例)

采用平面工藝制成NPN型硅材料晶體三極管的結(jié)構(gòu)如圖2所示。器件的最底層為高摻雜的N型硅片為襯底層，然后生長(zhǎng)出低摻雜的N型外延層，經(jīng)過(guò)一次氧化在外延層上生長(zhǎng)出SiO2氧化層。一次光刻在SiO2氧化層光刻出硼擴(kuò)基區(qū)，之后進(jìn)行硼擴(kuò)散，一般分為兩步擴(kuò)散：預(yù)先沉積和再分布擴(kuò)散。在硼擴(kuò)散形成晶體三極管的P型基區(qū)之后，進(jìn)行二次光刻和磷擴(kuò)散形成高摻雜的N型發(fā)射區(qū)。最后光刻出引線孔，經(jīng)過(guò)金屬化(Al)和反刻引出基極和發(fā)射極，最后背面合金形成集電極。

晶體三極管位于中間的P區(qū)域稱為基區(qū)，其區(qū)域很薄且雜質(zhì)濃度很低;位于上層的N+區(qū)為發(fā)射區(qū)，摻雜濃度很高;位于下層的N和N+兩種摻雜的N區(qū)是集電區(qū)，面積很大。因此晶體三極管為非對(duì)稱器件且器件的外特性與三個(gè)區(qū)域的上述特點(diǎn)緊密相關(guān)。

晶體三極管工作原理詳解(以NPN型晶體管為例)

根據(jù)晶體三極管的集電結(jié)和發(fā)射結(jié)的偏置情況，NPN型晶體三極管具有4種工作區(qū)間，如表1所示。

正向放大區(qū)(或簡(jiǎn)稱放大區(qū))：當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置時(shí)，晶體管工作在放大區(qū)。大多數(shù)雙極性晶體管的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是為了在正向放大區(qū)得到最大的共射極電流增益。晶體管工作在這一區(qū)域時(shí)，集電極-發(fā)射極電流與基極電流近似成線性關(guān)系。由于電流增益的緣故，當(dāng)基極電流發(fā)生微小的擾動(dòng)時(shí)，集電極-發(fā)射極電流將產(chǎn)生較為顯著變化。

反向放大區(qū)：當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)正向偏置時(shí)，晶體管工作在反向放大區(qū)。此時(shí)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的作用與正向放大區(qū)正好相反，但由于集電區(qū)的摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，反向放大區(qū)產(chǎn)生的放大效果小于正向放大區(qū)。而大多數(shù)雙極性晶體管的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能得到最大正向放大電流增益，因此在實(shí)際這種工作模式幾乎不被采用。

飽和區(qū)：當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時(shí)，晶體管工作在飽和區(qū)。此時(shí)晶體管發(fā)射極到集電極的電流達(dá)到最大值。即使增加基極電流，輸出的電流也不會(huì)再增加。飽和區(qū)可以在邏輯器件中用來(lái)表示高電平。

截止區(qū)：當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置時(shí)，晶體管工作在截止區(qū)。在這種工作模式下，輸出電流非常小(小功率的硅晶體管小于1微安，鍺晶體管小于幾十微安)，在邏輯器件中可以用來(lái)表示低電平。

正向放大區(qū): 內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)詳解

晶體三極管的放大作用表現(xiàn)為小基極電流可以控制大集電極電流。如下圖3所示，從晶體內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)與外部電流的關(guān)系上來(lái)做進(jìn)一步的分析。

發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流IE

發(fā)射結(jié)加正向電壓且發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度高，所以大量自由電子因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越過(guò)發(fā)射結(jié)到達(dá)基區(qū)。與此同時(shí)，空穴也從基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但由于基區(qū)雜質(zhì)濃度低，所以空穴形成的電流非常小，近似分析時(shí)可忽略不計(jì)?？梢?jiàn)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成了發(fā)射極電流IE。

擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB

由于基區(qū)很薄，雜質(zhì)濃度很低，集電結(jié)又加了反向電壓，所以擴(kuò)散到基區(qū)的電子中只有極少部分與空穴復(fù)合，其余部分均作為基區(qū)的非平衡少子到達(dá)集電結(jié)。又由于電源 VBE的作用，電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)將源源不斷地進(jìn)行，形成基極電流IB。

集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC

由于集電結(jié)加反向電壓且其結(jié)面積較大，基區(qū)的非平衡少子在外電場(chǎng)作用下越過(guò)集電結(jié)到達(dá)集電區(qū)，形成漂移電流。與此同時(shí)，集電區(qū)與基區(qū)的平衡少子也參與漂移運(yùn)動(dòng)，但它的數(shù)量很小，近似分析中可忽略不計(jì)?？梢?jiàn)，在集電極電源VCB的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流IC。

晶體三極管的特性曲線

晶體三極管的輸入特性曲線如圖4所示。當(dāng)UCE=0時(shí)，相當(dāng)于集電極與發(fā)射極短路，即發(fā)射結(jié)與集電結(jié)并聯(lián)。因此，輸入特性曲線與PN結(jié)的伏安特性類似，呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)UCE增大時(shí)，曲線將右移。對(duì)于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以近似UCE大于1V的所有輸入特性曲線。晶體三極管的輸出特性曲線如圖5所示。對(duì)于每一個(gè)確定的IB,都有一條曲線，所以輸出特性的一族曲線。截止區(qū):發(fā)射結(jié)電壓小于開(kāi)啟電壓，且集電結(jié)反向偏置。放大區(qū):發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置。飽和區(qū):發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于正向偏置。

圖像小部件

審核編輯：湯梓紅