雙極結型晶體管基礎知識

雙極結型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT）又稱為半導體三極管，它是通過一定的工藝將兩個PN結結合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結構。

雙極結型晶體管，外部引出三個極：集電極，發(fā)射極和基極，集電極從集電區(qū)引出，發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出，基極從基區(qū)引出（基區(qū)在中間）；BJT有放大作用，主要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸?shù)竭_集電區(qū)而實現(xiàn)的，為了保證這一傳輸過程，一方面要滿足內部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質濃度要遠大于基區(qū)雜質濃度，同時基區(qū)厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結要正向偏置（加正向電壓）、集電結要反偏置；BJT種類很多，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。

BJT與一般的晶體三極管有相似的結構、工作原理。BJT由一片半導體上的兩個pn結組成，可以分為PNP或NPN型兩種結構，圖1中給出了兩種BJT的符號以及其三個輸出端子的定義。

圖1 NPN型和PNP型雙極晶體管的符號

為電力半導體器件，BJT大多采用NPN型結構。BJT的三層兩結結構并非由單純的電路連接形成，而需較復雜的工藝制作過程。大多數(shù)雙極型功率晶體管是在重摻雜的N+硅襯底上，用外延生長法在N+上生長一層N-漂移層，然后在漂移層上擴散P基區(qū)，接著擴散N+發(fā)射區(qū)，因此稱之為三重擴散?；鶚O與發(fā)射極在一個平面上做成叉指型以減少電流集中和提高器件電流處理能力。三重擴散臺面型NPN型BJT的結構剖面示意圖如圖2所示。圖中摻雜濃度高的N+區(qū)稱為BJT的發(fā)射區(qū)，其作用是向基區(qū)注入載流子?；鶇^(qū)是一個厚度為幾μm至幾十μm之間的P型半導體薄層，它的任務是傳送和控制載流子。集電區(qū)則是收集載流子的N型半導體層，常在集電區(qū)中設置輕摻雜的N-區(qū)以提高器件的耐壓能力。不同類型半導體區(qū)的交界處則形成PN結，發(fā)射區(qū)與基區(qū)交界處的PN結稱為發(fā)射結（J1），集電區(qū)與基區(qū)交界處的PN 結稱為集電結（J2）。

圖2 三重擴散臺面型NPN型BJT的結構剖面

般將NPN型BJT簡化成如圖3a的結構，在這里集電區(qū)中的N-N+結的作用沒有考慮，這樣發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)可認為都是均勻摻雜。

普通的晶體三極管三個端子在電路中可以有不同的接法，比如共基極、共集電極、共發(fā)射極等。BJT在電力電子變換器中一般使用共發(fā)射極接法，如圖3b所示。其中BJT的基極和發(fā)射極之間的電壓為UBE，集電極與發(fā)射極之間的電壓為UCE。

圖3 NPN型BJT的簡化結構和共發(fā)射極電路

BJT中各部分的摻雜濃度和平衡時的能帶圖如圖4所示。此時BJT的基射極之間的電壓和集射極之間的電壓都為零。在能帶圖中，三個區(qū)域的費米能級保持一致，則發(fā)射區(qū)的施主原子摻雜多，電子濃度大，能帶被降低；基區(qū)的受主原子摻雜多，空穴濃度大，能帶被抬高；集電區(qū)為N型輕摻雜，能帶只稍微降低。其中，NDE、NAB和NDC分別表示發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)雜質原子的濃度，角標的第一字母表示雜質屬性，是施主還是受主，第二個字母表示區(qū)域。從圖中可以看出，其能帶可以看成兩個背靠背的PN結的能帶，只是兩個二極管中間的距離非常近。

圖4 NPN型BJT的摻雜濃度和平衡時的能帶圖

雙極結型晶體管和三極管有什么區(qū)別

雙極結型晶體管的基本原理

NPN型雙極結型晶體管可以視為共用陽極的兩個二極管接合在一起。在雙極結型晶體管的正常工作狀態(tài)下，基極-發(fā)射極結（稱這個PN結為“發(fā)射結”）處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極（稱這個PN結為“集電結”）則處于反向偏置狀態(tài)。在沒有外加電壓時，發(fā)射結N區(qū)的電子（這一區(qū)域的多數(shù)載流子）濃度大于P區(qū)的電子濃度，部分電子將擴散到P區(qū)。同理，P區(qū)的部分空穴也將擴散到N區(qū)。這樣，發(fā)射結上將形成一個空間電荷區(qū)（也成為耗盡層），產生一個內在的電場，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個電場將阻礙上述擴散過程的進一步發(fā)生，從而達成動態(tài)平衡。這時，如果把一個正向電壓施加在發(fā)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(tài)平衡將被打破，這樣會使熱激發(fā)電子注入基極區(qū)域。在NPN型晶體管里，基區(qū)為P型摻雜，這里空穴為多數(shù)摻雜物質，因此在這區(qū)域電子被稱為“少數(shù)載流子”。

從發(fā)射極被注入到基極區(qū)域的電子，一方面與這里的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復合，另一方面，由于基極區(qū)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)，大部分電子將通過漂移運動抵達集電極區(qū)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(qū)域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴散所需的時間短于半導體少數(shù)載流子的壽命，同時，基極的厚度必須遠小于電子的擴散長度（diffusion length，參見菲克定律）。在現(xiàn)代的雙極結型晶體管中，基極區(qū)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，因此必須將雙極結型晶體管與兩個相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區(qū)分開來。

雙極結型晶體管的結構

一個雙極結型晶體管由三個不同的摻雜半導體區(qū)域組成，它們分別是發(fā)射極區(qū)域、基極區(qū)域和集電極區(qū)域。這些區(qū)域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導體，而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導體。每一個半導體區(qū)域都有一個引腳端接出，通常用字母E、B和C來表示發(fā)射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。

基極的物理位置在發(fā)射極和集電極之間，它由輕摻雜、高電阻率的材料制成。集電極包圍著基極區(qū)域，由于集電結反向偏置，電子很難從這里被注入到基極區(qū)域，這樣就造成共基極電流增益約等于1，而共射極電流增益取得較大的數(shù)值。從右邊這個典型NPN型雙極結型晶體管的截面簡圖可以看出，集電結的面積大于發(fā)射結。此外，發(fā)射極具有相當高的摻雜濃度。

在通常情況下，雙極結型晶體管的幾個區(qū)域在物理性質、幾何尺寸上并不對稱。假設連接在電路中的晶體管位于正向放大區(qū)，如果此時將晶體管集電極和發(fā)射極在電路中的連接互換，將使晶體管離開正向放大區(qū)，進入反向工作區(qū)。晶體管的內部結構決定了它適合在正向放大區(qū)工作，所以反向工作區(qū)的共基極電流增益和共射極電流增益比晶體管位于正向放大區(qū)時小得多。這種功能上的不對稱，根本上是緣于發(fā)射極和集電極的摻雜程度不同。因此，在NPN型晶體管中，盡管集電極和發(fā)射極都為N型摻雜，但是二者的電學性質和功能完全不能互換。

發(fā)射極區(qū)域的摻雜程度最高，集電極區(qū)域次之，基極區(qū)域摻雜程度最低。此外，三個區(qū)域的物理尺度也有所不同，其中基極區(qū)域很薄，并且集電極面積大于發(fā)射極面積。由于雙極結型晶體管具有這樣的物質結構，因此可以為集電結提供一個反向偏置，不過這樣做的前提是這個反向偏置不能過大，以致于晶體管損壞。對發(fā)射極進行重摻雜的目的是為了增加發(fā)射極電子注入到基極區(qū)域的效率，從而實現(xiàn)盡量高的電流增益。

在雙極結型晶體管的共射極接法里，施加于基極、發(fā)射極兩端電壓的微小變化，都會造成發(fā)射極和集電極之間的電流發(fā)生顯著變化。利用這一性質，可以放大輸入的電流或電壓。把雙極結型晶體管的基極當做輸入端，集電極當做輸出端，可以利用戴維南定理分析這個二端口網絡。利用等效的原理，可以將雙極結型晶體管看成是電壓控制的電流源，也可以將其視為電流控制的電壓源。此外，從二端口網絡的左邊看進去，基極處的輸入阻抗減小到基極電阻的，這樣就降低了對前一級電路的負載能力的要求。

雙極結型晶體管的應用

集電極-發(fā)射極電流可以視為受基極-發(fā)射極電流的控制，這相當于將雙極結型晶體管視為一種“電流控制”的器件。還可以將它看作是受發(fā)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(fā)射極結上的電流電壓關系相互關聯(lián)起來，而這種關系可以用PN結的電流-電壓曲線表示。

人們曾經建立過多種數(shù)學模型，用來描述雙極結型晶體管的具體工作原理。例如，古梅爾–潘模型（Gummel–Poon Model）提出，可以利用電荷分布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管的問題，這種二極管基極區(qū)域的少數(shù)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(tài)問題，這些問題都與基極區(qū)域電子和空穴的復合密切相關。然而，由于基極電荷并不能輕松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，有時會采用電流控制的觀點，這是因為在一定范圍內，雙極結型晶體管具有近似線性的特征。在這個范圍（下文將提到，這個范圍叫做“放大區(qū)”）內，集電極電流近似等于基極電流的倍，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(fā)射極-基極電壓為近似恒定值（如），這時集電極電流近似等于基極電流的若干倍，晶體管起電流放大作用。

然而，在真實的情況中，雙極結型晶體管是一種較為復雜的非線性器件，如果偏置電壓分配不當，將使其輸出信號失真。此外，即使工作在特定范圍，其電流放大倍數(shù)也受到包括溫度在內的因素影響。為了設計出精確、可靠的雙極結型晶體管電路，必須采用電壓控制的觀點（例如后文將講述的艾伯斯-莫爾模型）。電壓控制模型引入了一個指數(shù)函數(shù)來描述電壓、電流關系，在一定范圍內，函數(shù)關系為近似線性，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。對于跨導線性（translinear）電路，研究其電流-電壓曲線對于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。

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仿真器進行，因此對于設計者來說，模型的復雜程度并不會帶來太大的問題。但在以人工分析模擬電路的問題時，并不總能像處理經典的電路分析那樣采取精確計算的方法，因而采用近似的方法是十分必要的。

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