晶體三極管結構及其工作原理詳解

發(fā)布時間：2022-11-03作者來源：薩科微瀏覽：4909

晶體三極管基本概述

晶體管是一種與其他電路元件結合使用時可產生電流增益、電壓增益和信號功率增益的多結半導體器件。因此，晶體管稱為有源器件，而二極管稱為無源器件。晶體管的基本工作方式是在其兩端施加電壓時控制另一端的電流。

晶體管兩種主要類型：雙極型晶體管(BJT)和場效應管(FET)。雙極晶體管（Bipolar Junction Transistor-BJT)作為兩種主要類型的晶體管之一，又稱為半導體三極管、晶體三極管，簡稱晶體管。它由兩個PN結組合而成，有兩種載流子參與導電是一種電流控制電流源器件。晶體三極管主要應用于檢波、整流、放大、開關、穩(wěn)壓、信號調制和許多其它功能。

晶體三極管的分類

按照晶體三極管擴散區(qū)半導體材料不同，可分為NPN型晶體三極管和PNP型晶體三極管，如圖1所示。晶體三極管有三個摻雜不同的擴散區(qū)和兩個PN結，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結稱為發(fā)射結，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結稱為集電結。晶體管電路符號中的箭頭方向代表PN結的方向(即發(fā)射極的電流方向)。

晶體三極管結構圖解

(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構如圖2所示。器件的最底層為高摻雜的N型硅片為襯底層，然后生長出低摻雜的N型外延層，經過一次氧化在外延層上生長出SiO2氧化層。一次光刻在SiO2氧化層光刻出硼擴基區(qū)，之后進行硼擴散，一般分為兩步擴散：預先沉積和再分布擴散。在硼擴散形成晶體三極管的P型基區(qū)之后，進行二次光刻和磷擴散形成高摻雜的N型發(fā)射區(qū)。最后光刻出引線孔，經過金屬化(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稱器件且器件的外特性與三個區(qū)域的上述特點緊密相關。

晶體三極管工作原理詳解

(以NPN型晶體管為例)

根據晶體三極管的集電結和發(fā)射結的偏置情況，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)（或簡稱放大區(qū)）：當發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置時，晶體管工作在放大區(qū)。大多數雙極性晶體管的設計目標，是為了在正向放大區(qū)得到[敏感詞]的共射極電流增益。晶體管工作在這一區(qū)域時，集電極-發(fā)射極電流與基極電流近似成線性關系。由于電流增益的緣故，當基極電流發(fā)生微小的擾動時，集電極-發(fā)射極電流將產生較為顯著變化。
反向放大區(qū)：當發(fā)射結反向偏置，集電結正向偏置時，晶體管工作在反向放大區(qū)。此時發(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)產生的放大效果小于正向放大區(qū)。而大多數雙極性晶體管的設計目標是盡可能得到[敏感詞]正向放大電流增益，因此在實際這種工作模式幾乎不被采用。

飽和區(qū)：當發(fā)射結和集電結均為正向偏置時，晶體管工作在飽和區(qū)。此時晶體管發(fā)射極到集電極的電流達到[敏感詞]值。即使增加基極電流，輸出的電流也不會再增加。飽和區(qū)可以在邏輯器件中用來表示高電平。
截止區(qū)：當發(fā)射結和集電結均為反向偏置時，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表示低電平。

正向放大區(qū): 內部載流子的運動詳解

晶體三極管的放大作用表現為小基極電流可以控制大集電極電流。如下圖3所示，從晶體內部載流子的運動與外部電流的關系上來做進一步的分析。

發(fā)射結加正向電壓，擴散運動形成發(fā)射極電流IE

發(fā)射結加正向電壓且發(fā)射區(qū)雜質濃度高，所以大量自由電子因擴散運動越過發(fā)射結到達基區(qū)。與此同時，空穴也從基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴散，但由于基區(qū)雜質濃度低，所以空穴形成的電流非常小，近似分析時可忽略不計?？梢姡瑪U散運動形成了發(fā)射極電流IE。

擴散到基區(qū)的自由電子與空穴的復合運動形成基極電流IB

由于基區(qū)很薄，雜質濃度很低，集電結又加了反向電壓，所以擴散到基區(qū)的電子中只有極少部分與空穴復合，其余部分均作為基區(qū)的非平衡少子到達集電結。又由于電源 VBE的作用，電子與空穴的復合運動將源源不斷地進行，形成基極電流IB。

集電結加反向電壓，漂移運動形成集電極電流IC

由于集電結加反向電壓且其結面積較大，基區(qū)的非平衡少子在外電場作用下越過集電結到達集電區(qū)，形成漂移電流。與此同時，集電區(qū)與基區(qū)的平衡少子也參與漂移運動，但它的數量很小，近似分析中可忽略不計?？梢?，在集電極電源VCB的作用下，漂移運動形成集電極電流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UCE=0時，相當于集電極與發(fā)射極短路，即發(fā)射結與集電結并聯(lián)。因此，輸入特性曲線與PN結的伏安特性類似，呈指數關系。當UCE增大時，曲線將右移。對于小功率晶體管，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。對于每一個確定的IB,都有一條曲線，所以輸出特性的一族曲線。截止區(qū):發(fā)射結電壓小于開啟電壓，且集電結反向偏置。放大區(qū):發(fā)射結正向偏置且集電結反向偏置。飽和區(qū):發(fā)射結與集電結均處于正向偏置。