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晶體三極管結(jié)構(gòu)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:4755


晶體三極管基本概述

                                                                                                                  

晶體管是一種與其他電路元件結(jié)合使用時可產(chǎn)生電流增益電壓增益信號功率增益多結(jié)半導(dǎo)體器件。因此,晶體管稱為有源器件,而二極管稱為無源器件。晶體管的基本工作方式是在其兩端施加電控制另一端的電流
晶體管兩種主要類型:雙極型晶體管(BJT)和場效應(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,簡稱晶體管。它由兩個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、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。

晶體三極管的分類

                                                                                                                  

按照晶體三極管擴散區(qū)半導(dǎo)體材料不同,可分為NPN型晶體三極管PNP型晶體三極管,如圖1所示。晶體三極管三個摻雜不同擴散區(qū)兩個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)區(qū)基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)。晶體管電路符號中的箭頭方向代表PN結(jié)的方向(發(fā)射極的電流方向)。


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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。器件的最底層高摻雜N型硅片為襯底層,然后生長出低摻雜N型外延層,經(jīng)過一次氧在外延層上生長出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(yù)先沉積和再分布擴散。在硼擴散形成晶體三極管P型基區(qū)之后,進行二次光刻磷擴散形成高摻N型發(fā)射區(qū)。最后光刻出引線孔,經(jīng)過金屬化(Al)反刻引出基極發(fā)射極,最后背面合金形成集電極

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晶體三極管位于中間的P區(qū)域稱為基區(qū),其區(qū)域很薄雜質(zhì)濃度很低;位于上層的N+區(qū)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(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,晶體管工作在放大區(qū)大多數(shù)雙極性晶體管的設(shè)計目標(biāo),是為了在正向放大區(qū)得到[敏感詞]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(guān)系。由于電流增益的緣故,當(dāng)基極電流發(fā)生微小的擾動時,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,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(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)計目標(biāo)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

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  • 飽和區(qū):當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)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(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)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(nèi)部載流子的運動詳解

                                                                                                                  

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)部載流子的運動與外部電流的關(guān)系上來做進一步的分析。
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  • 發(fā)射結(jié)加正向電壓,擴散運動形成發(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,所以大量自由電子擴散運動越過發(fā)射結(jié)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(zhì)濃度,所以空穴形成的電流非常小,近似分析時可忽略不計。可見,擴散運動形成了發(fā)射極電流IE
  • 擴散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運動形成基極電流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)非平衡少子到達集電結(jié)。又由于電源 VBE的作用,電子與空穴的復(fù)合運動將源源不斷地進行,形成基極電流IB
  • 集電結(jié)加反向電壓,漂移運動形成集電極電流IC

由于集電結(jié)反向電壓且其結(jié)面積較大基區(qū)非平衡少子外電場作用下越過集電結(jié)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(shù)量很小,近似分析中可忽略不計。可見,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(dāng)UCE=0時,相當(dāng)于集電極與發(fā)射極短路,即發(fā)射結(jié)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,曲線右移。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(jié)電壓小于開啟電壓,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。

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