晶體三極管結構及其工作原理詳解

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2022-11-03 17:09:55 715

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和兩個PN結，三端分別稱為發射極E(Emitter)、基極B(Base)和集電極C(Collector)。發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結，而集電區與基區形成的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，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型基區之后，進行二次光刻和磷擴散形成高摻雜的N型發射區。最后光刻出引線孔，經過金屬化(Al)和反刻引出基極和發射極，最后背面合金形成集電極。

晶體三極管位于中間的P區域稱為基區，其區域很薄且雜質濃度很低；位于上層的N+區為發射區，摻雜濃度很高；位于下層的N和N+兩種摻雜的N區是集電區，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射結的偏置情況，NPN型晶體三極管具有4種工作區間，如表1所示。

正向放大區（或簡稱放大區）：當發射結正向偏置，集電結反向偏置時，晶體管工作在放大區。大多數雙極性晶體管的設計目標，是為了在正向放大區得到最大的共射極電流增益。晶體管工作在這一區域時，集電極-發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，當基極電流發生微小的擾動時，集電極-發射極電流將產生較為顯著變化。
反向放大區：當發射結反向偏置，集電結正向偏置時，晶體管工作在反向放大區。此時發射區和集電區的作用與正向放大區正好相反，但由于集電區的摻雜濃度低于發射區，反向放大區產生的放大效果小于正向放大區。而大多數雙極性晶體管的設計目標是盡可能得到最大正向放大電流增益，因此在實際這種工作模式幾乎不被采用。

飽和區：當發射結和集電結均為正向偏置時，晶體管工作在飽和區。此時晶體管發射極到集電極的電流達到最大值。即使增加基極電流，輸出的電流也不會再增加。飽和區可以在邏輯器件中用來表示高電平。
截止區：當發射結和集電結均為反向偏置時，晶體管工作在截止區。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: 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。

發射結加正向電壓，擴散運動形成發射極電流IE

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

擴散到基區的自由電子與空穴的復合運動形成基極電流IB

由于基區很薄，雜質濃度很低，集電結又加了反向電壓，所以擴散到基區的電子中只有極少部分與空穴復合，其余部分均作為基區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，基區的非平衡少子在外電場作用下越過集電結到達集電區，形成漂移電流。與此同時，集電區與基區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。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UCE=0時，相當于集電極與發射極短路，即發射結與集電結并聯。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:發射結電壓小于開啟電壓，且集電結反向偏置。放大區:發射結正向偏置且集電結反向偏置。飽和區:發射結與集電結均處于正向偏置。

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