雙極性晶體管

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更新時間: 2013-12-12

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雙極性晶體管(英語:bipolar transistor),全稱雙極性結型晶體管(bipolar junction transistor, BJT),是一種有三個終端具有電流放大功能的電子器件。這種晶體管的工作,同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動,因此它被稱為雙極性的,所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場效應管的單極性晶體管不同,後者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區域之間的邊界由PN結形成。

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1 雙極性晶體管 -簡介

雙極性晶體管


  雙極性晶體管(英語:bipolar transistor),全稱雙極性結型晶體管(bipolar junction transistor, BJT),俗稱三極體,是一種具有三個終端的電子器件。雙極性晶體管是電子學歷史上具有革命意義的一項發明,其發明者威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·豪澤·布喇頓被授予了1956年的諾貝爾物理學獎。
  這種晶體管的工作,同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動,因此它被稱為雙極性的,所以也稱雙極性載子晶體管。這種工作方式與諸如場效應管的單極性晶體管不同,後者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區域之間的邊界由PN結形成。
  雙極性晶體管由三部分摻雜程度不同的半導體製成,晶體管中的電荷流動主要是由於載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。以NPN晶體管為例,按照設計,高摻雜的發射極區域的電子,通過擴散作用運動到基極。在基極區域,空穴為多數載流子,而電子少數載流子。由於基極區域很薄,這些電子又通過漂移運動到達集電極,從而形成集電極電流,因此雙極性晶體管被歸到少數載流子設備。
  雙極性晶體管能夠放大信號,並且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力,所以它常被用來構成放大器電路,或驅動揚聲器、電動機等設備,並被廣泛地應用於航空航天工程、醫療器械和機器人等應用產品中。

2 雙極性晶體管 -發展應用:

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  1947年12月,貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·豪澤·布喇頓在威廉·肖克利的指導下共同發明了點接觸形式的雙極性晶體管。1948年,肖克利發明了採用結型構造的雙極性晶體管。在其後的大約三十年時間內,這種器件是製造分立元件電路和集成電路的不二選擇。
  早期的晶體管是由鍺製造的。在1950年代和1960年代,鍺晶體管的使用多於硅晶體管。相對於硅晶體管,鍺晶體管的截止電壓更小,通常約0.2伏特,這使得鍺晶體管適用於某些應用場合。在晶體管的早期歷史中,曾有多種雙極性晶體管的製造方法被開發出來。
  鍺晶體管的一個主要缺點是它容易產生熱失控。由於鍺的禁帶寬度較窄,並且要穩定工作則要求的溫度相對硅半導體更嚴,因此大多數現代的雙極性晶體管是由硅製造的。採用硅材料的另一個重要原因是硅在地球上的儲量比鍺豐富得多(僅次於氧)。
  後來,人們也開始使用以砷化鎵為代表的化合物來製造半導體晶體管。砷化鎵的電子遷移率為硅的5倍,用它製造的晶體管能夠達到較高的工作頻率。此外,砷化鎵熱導率較低,有利於高溫下進行的加工。化合物晶體管通常可以應用於高速器件。
  雙極性晶體管能夠提供信號放大,它在功率控制、模擬信號處理等領域有所應用。此外,由於基極-發射極偏置電壓與溫度、電流的關係已知,雙極性晶體管還可以被用來測量溫度。根據基極-發射極電壓與基極-發射極和集電極-發射極電流的對數關係,雙極性晶體管也能被用來計算對數或求自然對數的冪指數。
  隨著人們對於能源問題的認識不斷加深,場效應管(如CMOS)技術憑藉更低的功耗,在數字集成電路中逐漸成為主流,雙極性晶體管在集成電路中的使用由此逐漸變少。但是應當看到,即使在現代的集成電路中,雙極性晶體管依然是一種重要的器件,市場上仍有大量種類齊全、價格低廉的晶體管產品可供選擇。與金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET,它是場效應管的一種,另一種為結型場效應管)相比,雙極性晶體管能提供較高的跨導和輸出電阻,並具有高速、耐久的特性,在功率控制方面能力突出。因此,雙極性晶體管依舊是組成模擬電路,尤其是甚高頻應用電路(如無線通信系統中的射頻電路)的重要配件。雙極性晶體管可以通過BiCMOS技術與和MOSFET製作在一塊集成電路上,這樣就可以充分利用兩者的優點(如雙極性晶體管的電流放大能力和場效應管的低功耗特點)

3 雙極性晶體管 -基本原理:

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  NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽極的兩個二極體接合在一起。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」)處於正向偏置狀態,而基極-集電極(稱這個PN結為「集電結」)則處於反向偏置狀態。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)濃度大於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,這裡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,一方面與這裡的多數載流子空穴發生複合,另一方面,由於基極區域摻雜程度低、物理尺寸薄,並且集電結處於反向偏置狀態,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複合,晶體管的基極區域必須製造得足夠薄,以至於載流子擴散所需的時間短於半導體少數載流子的壽命,同時,基極的厚度必須遠小於電子的擴散長度(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、物理屬性並不相同,因此必須將雙極性晶體管與兩個相反方向二極體串聯在一起的形式區分開來。

4 雙極性晶體管 -分析方法:

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  集電極-發射極電流可以視為受基極-發射極電流的控制,這相當於將雙極性晶體管視為一種「電流控制」的器件。還可以將它看作是受發射結電壓的控制,即將它看做一種「電壓控制」的器件。事實上,這兩種思考方式可以通過基極-發射極結上的電流電壓關係相互關聯起來,而這種關係可以用PN結的電流-電壓曲線表示。
  從基極區域的少數載流子濃度出發,可以解釋集電極的載流子流動。如果雙極性晶體管為小注入(low level injection),即通過某些物理過程(如光注入或電注入)引入的非平衡載流子(excess carrier,或稱「過剩載流子」)比熱平衡時的多數載流子少得多,雙極性擴散(即非平衡多數載流子和少數載流子以相同速率流動)速率實際上由非平衡少數載流子決定。另外,雙極性晶體管處理高頻信號的能力還受限於基極區域載流子的渡越時間。
  人們曾經建立過多種數學模型,用來描述雙極性晶體管的具體工作原理。例如,古梅爾–潘模型(Gummel–Poon Model)提出,可以利用電荷分佈來精確地解釋晶體管的行為。上述有關電荷控制的觀點可以處理有關光電二極體的問題,這種二極體基極區域的少數載流子是通過吸收光子(即上一段提到的光注入)產生的。電荷控制模型還能處理有關關斷、恢復時間等動態問題,這些問題都與基極區域電子和空穴的複合密切相關。然而,由於基極電荷並不能輕鬆地在基極引腳處觀察,因此,在實際的電路設計、分析中,電流、電壓控制的觀點應用更為普遍。
  在模擬電路設計中,有時會採用電流控制的觀點,這是因為在一定範圍內,雙極性晶體管具有近似線性的特徵。在這個範圍(下文將提到,這個範圍叫做「放大區」)內,集電極電流近似等於基極電流的倍,這對人們分析問題、控制電路功能有極大的便利。在設計有的基本電路時,人們假定發射極-基極電壓為近似恆定值(如),這時集電極電流近似等於基極電流的若干倍,晶體管起電流放大作用。
  然而,在真實的情況中,雙極性晶體管是一種較為複雜的非線性器件,如果偏置電壓分配不當,將使其輸出信號失真。此外,即使工作在特定範圍,其電流放大倍數也受到包括溫度在內的因素影響。為了設計出精確、可靠的雙極性晶體管電路,必須採用電壓控制的觀點(例如後文將講述的艾伯斯-莫爾模型)。電壓控制模型引入了一個指數函數來描述電壓、電流關係,在一定範圍內,函數關係為近似線性,可以將晶體管視為一個電導元件。這樣,諸如差動放大器等電路的設計就簡化為了線性問題,所以近似的電壓控制觀點也常被選用。對於跨導線性(translinear)電路,研究其電流-電壓曲線對於分析器件工作十分關鍵,因此通常將它視為一個跨導與集電極電流成比例的電壓控制模型。
  目前,晶體管級別的電路設計主要使用SPICE或其他類似的模擬電路模擬器進行,因此對於設計者來說,模型的複雜程度並不會帶來太大的問題。但在以人工分析模擬電路的問題時,並不總能像處理經典的電路分析那樣採取精確計算的方法,因而採用近似的方法是十分必要的。

5 雙極性晶體管 -分類

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  眾所周知,按極性可以分為PNP和NPN兩種,按材料一般可以分為硅管和鍺管,按額定功率分為大功率
  和小功率,按封裝可以分為貼片和插件,等等。
  目前車載電子系統中,常用的是小功率硅管,為減小體積多用貼片封裝。

6 雙極性晶體管 -雙極性晶體管應用

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