雙極型晶體管原理詳細(xì)介紹

電子和空穴兩種載流子都起作用的晶體管，又稱(chēng)結(jié)型晶體管。

1948年，人們發(fā)現(xiàn)原始的點(diǎn)接觸晶體管具有放大作用,但由于金屬絲與晶體表面的接觸很不可靠,因此使用受到很大限制。1950年，用切克勞斯基法拉出鍺單晶，接著又拉出硅單晶。1951年發(fā)展鍺的區(qū)域提純技術(shù)和硅的無(wú)坩堝區(qū)域提純技術(shù),獲得純度達(dá)99.999999％的鍺、硅單晶。在PN結(jié)理論發(fā)展的基礎(chǔ)上，加上鍺材料、硅材料制備技術(shù)的進(jìn)展，1951年用合金法制成合金結(jié)晶體管。1955年雜質(zhì)向半導(dǎo)體中擴(kuò)散的新技術(shù)得到發(fā)展，1956年制成擴(kuò)散型晶體管，使晶體管的工作頻率提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。1959年硅表面熱生長(zhǎng)二氧化硅工藝和光刻技術(shù)的發(fā)展，促使1960年研制成功平面型晶體管。由于晶體管表面有了鈍化層，使器件的穩(wěn)定性大為提高。平面技術(shù)為集成電路和大規(guī)模集成電路的研究打下基礎(chǔ)。
　　基本結(jié)構(gòu) 　

雙極型晶體管有兩種基本結(jié)構(gòu);PNP型和NPN型（圖1），由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)組成。在這三層半導(dǎo)體中,中間一層叫基區(qū)(B)，左右兩層分別叫發(fā)射區(qū)(E)和集電區(qū)(C)。發(fā)射區(qū)和基區(qū)間形成發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)間形成集電結(jié)。晶體管按功率耗散能力大小可分為小功率管、中功率管、大功率管。按工作頻率的高低可分為低頻管、高頻管、微波管。按制造工藝又可分為合金管、合金擴(kuò)散管、臺(tái)式管、外延平面管（圖2）。合金管的基區(qū)寬度和結(jié)電容都較大,頻率性能差,一般僅用于低頻電路。合金擴(kuò)散管的基區(qū)由擴(kuò)散形成,基區(qū)較薄,基區(qū)雜質(zhì)分布所形成的內(nèi)建場(chǎng)能加速少數(shù)載流子渡越，因此它的頻率特性較好，可用于高頻范圍。外延平面管的基區(qū)和發(fā)射區(qū)都可用擴(kuò)散或離子注入工藝形成，基區(qū)寬度可精確控制到 0.1微米。采用電子束曝光、干法腐蝕等新工藝可獲得亞微米的管芯圖形線條。因此，它的工作頻率可從超高頻一直延伸到微濾 X波段。外延平面管加上摻金工藝可制成超高速開(kāi)關(guān)管和各種高速集成電路（如ECL電路）。
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雙極型晶體管
　　放大作用

　對(duì)于 NPN晶體管共發(fā)射極電路，若在發(fā)射結(jié)上加正偏壓，在集電結(jié)上加負(fù)偏壓，則晶體管處于放大狀態(tài)。從基極注入1毫安的電流IC,在集電極就可獲得幾十毫安的輸出電流IC。IC/IC稱(chēng)為共發(fā)射極電流放大系數(shù)β，一般在10～200之間。由于晶體管的輸出阻抗遠(yuǎn)大于輸入阻抗，輸出電流又遠(yuǎn)大于輸入電流，因此共發(fā)射極晶體管具有很強(qiáng)的電壓放大和功率放大能力。在高頻工作時(shí)，如果使晶體管的外接網(wǎng)絡(luò)阻抗分別與晶體管的輸入、輸出阻抗匹配，則可獲得最佳功率增益。根據(jù)電路的工作需要，晶體管還可接成共基極或共集電極形式。
　　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(zhǎng)、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(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制裝置、電子儀器、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。
　　雙極型微波低噪聲管廣泛用于雷達(dá)接收機(jī)、地面移動(dòng)通信設(shè)備、航空電臺(tái)、微波接力通信和遙控遙測(cè)設(shè)備。高速開(kāi)關(guān)晶體管用于高速計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算單元。高壓大功率臺(tái)式雙極型功率管是電視機(jī)行掃描電路和電源電路的關(guān)鍵器件。在超低頻通信、醫(yī)用電子儀器中大量使用超低頻低噪聲晶體管。雙極型微波功率晶體管用于相控陣遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)、微波通信發(fā)射機(jī)、通信衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星的發(fā)射部件中。
　　發(fā)展趨勢(shì)

　硅晶體管的實(shí)際頻率特性已經(jīng)接近設(shè)計(jì)極限。為進(jìn)一步提高雙極型晶體管的工作頻率，發(fā)展了異質(zhì)結(jié)雙極型三極管。采用異質(zhì)結(jié)新結(jié)構(gòu)，可利用高電子遷移率的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體制成雙極型晶體管,這是雙極型晶體管制造技術(shù)的一次重大變革。

雖然二極管是很有用的器件，但它不能放大信號(hào)，幾乎所有的電路都以某種方式要求放大信號(hào)。一種能放大信號(hào)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(gè)晶體管有3個(gè)半導(dǎo)體區(qū)，他們分別是發(fā)射極，基極和集電極。基極總是夾在發(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(qū)都是均勻摻雜的矩形硅。現(xiàn)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(hào)。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(méi)有標(biāo)上箭頭。在圖1簡(jiǎn)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。看上去把集電極和發(fā)射極對(duì)調(diào)對(duì)器件沒(méi)有什么影響。實(shí)際上，這兩個(gè)結(jié)有不同的摻雜屬性和幾何形狀，所以不能對(duì)調(diào)。發(fā)射極靠箭頭和集電極區(qū)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(jié)。晶體管的基極區(qū)非常的薄（大約1－12μm）。由于兩個(gè)結(jié)靠的非常近，載流子能在復(fù)合前從一個(gè)結(jié)擴(kuò)散到另一個(gè)結(jié)。因此一個(gè)結(jié)的導(dǎo)通對(duì)另一個(gè)結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)。這個(gè)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(chēng)為在forward active區(qū)。如果發(fā)射極和集電極相互對(duì)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(gè)晶體管稱(chēng)為在reverse active區(qū)。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(jié)。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(jié)。流過(guò)這個(gè)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(guò)了很窄的基極區(qū)。因?yàn)榛鶚O－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(gè)阻止多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)幫助少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)。在基極里，電子是少數(shù)載流子，所以他們都穿過(guò)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(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(fù)合的電子。

有些注入到基極的電子也確實(shí)沒(méi)有到達(dá)集電極。那些沒(méi)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(gè)來(lái)源。這些復(fù)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。