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之所以命名双极结型晶体管(BJT)是因为其工作涉及两个载流子的传导:同一晶体中的电子和空穴。第一个双极晶体管是由威廉·肖克利(William Shockley),沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)和约翰·巴丁(John Bardeen)于1947年在贝尔实验室(Bell Labs)发明的,直到1948年才发布。因此,关于发明日期,有许多不同的文献。 Brattain制造了一个锗点接触晶体管,与点接触二极管有些相似。在一个月内,肖克利有了一个更实用的结型晶体管,我们将在以下段落中进行描述。他们因晶体管而获得1956年的诺贝尔物理学奖。

下图(a)所示的双极结型晶体管是NPN三层半导体三明治结构,其两端分别具有发射极和集电极,并且在其间具有基极。好像将第三层添加到两层二极管中一样。如果这是唯一的要求,那么我们将只有一对背对背二极管。实际上,构建一对背对背二极管要容易得多。制造双极结型晶体管的关键是使中间层,基极尽可能薄,而又不使外层,发射极和集电极短路。我们不能过分强调薄基区的重要性.

BJT交界处

下图(a)中的器件具有一对结,即发射极与基极,基极与集电极以及两个耗尽区。

固态器件理论(6)双极结型晶体管_技术交流

(a)NPN结双极晶体管。 (b)对集电极基极结施加反向偏压。

如图(b)所示,通常对双极结型晶体管的基极-集电极结进行反向偏置。请注意,这会增加耗尽区的宽度。反向偏置电压可能在几伏到几十伏之间。对于大多数晶体管,集电极电路中除了漏电流外没有电流流过。

在下图(a)中,已将电压源添加到发射极基极电路。通常,我们将发射极-基极结正向偏置,以克服0.6 V的势垒。这类似于对结型二极管进行正向偏置。为了使多数载流子(NPN的电子)从发射极流入基极,成为P型半导体中的少数载流子,该电压源需要超过0.6V。

如果基极区很厚,如一对背对背二极管,则所有流入基极的电流都会流出基极引线。在我们的NPN晶体管示例中,离开基极发射极的电子将与基极中的空穴结合,从而为随着电子离开而在基极的(+)电池端子处产生更多空穴提供了空间。

但是,基座制造得很薄。实际上,发射器中的少数多数载流子作为少数载流子注入了基体中。参见下图(b)。发射极注入NPN晶体管基极的电子很少会掉入空穴。另外,几乎没有电子进入基极,直接通过基极流向电池正极。电子的大部分发射器电流通过薄基极扩散到集电极中。此外,调制较小的基极电流会产生较大的集电极电流变化。如果对于硅晶体管,基极电压降至约0.6 V以下,则大的发射极-集电极电流将停止流动。

固态器件理论(6)双极结型晶体管_封装_02

BJT电流放大

在下图中,我们仔细研究了电流放大机制。 我们放大了NPN结晶体管的放大图,重点是薄基极区。 尽管未显示,但我们假设外部电压源 1)正向偏置发射极-基极结,2)反向偏置基极-集电极结。 电流使发射极流向(-)电池端子。 基本电流对应于从(+)电池端子进入基本端子的电流。

进入基极的电子的分布:(a)由于与基极空穴复合而丢失。 (b)流出基础引线。 (c)大多数从发射极通过薄基极扩散到基极-集电极耗尽区,(d)被强耗尽区电场迅速扫入集电极。
固态器件理论(6)双极结型晶体管_封装_03

N型发射极内的多数载流子是电子,进入P型基极时成为少数载流子。这些电子面临进入薄P型基极的四种可能的命运。上图(a)中的一些掉入了基极的空穴中,这些空穴有助于使基极电流流向(+)电池端子。未示出,基极中的空穴可扩散到发射极中并与电子结合,从而贡献基极端电流。 (b)中很少有电流通过基极流向(+)电池端子,就好像基座是电阻器一样。 (a)和(b)都对很小的基本电流有贡献。对于小信号晶体管,基极电流通常为发射极或集电极电流的1%。大多数发射极电子会通过薄的基极(c)扩散到基极-集电极耗尽区。注意在(d)处围绕电子的耗尽区的极性。强电场将电子迅速扫入集电极。电场强度与集电极电池电压成正比。因此,有99%的发射极电流流入集电极。它由基极电流控制,该基极电流是发射极电流的1%。这是潜在的电流增益99,即IC / IB的比率,也称为β。

仅当基极薄时,才有可能发生这种神奇的现象,即99%的发射极通过基极扩散。 100倍于基极的基极少数载流子的命运是什么?人们会期望电子落入空穴的复合速率更高。也许有99%而不是1%会掉进洞里,再也不会碰到集电极了。第二点是,只有当99%的发射极电流扩散到集电极中时,基极电流才可以控制99%的发射极电流。如果全部流出基极,则无法控制。

另一个使99%的电子从发射极传递到集电极的功能是,实际的双极结型晶体管使用小的重掺杂发射极。高浓度的发射极电子迫使许多电子扩散到基极中。基极中较低的掺杂浓度意味着更少的空穴扩散到发射极中,这将增加基极电流。载流子从发射极到基极的扩散是非常有利的。

薄的基极和重掺杂的发射极有助于保持较高的发射极效率,例如99%。这对应于100%的发射极电流在基极(1%)和集电极(99%)之间分配。发射极效率称为α= IC / IE。

BJT的类型

双极结型晶体管可用作PNP以及NPN器件。 我们在下图中比较了这两个。 区别在于基极发射极二极管结的极性,如原理图发射极箭头的方向所示。 它沿着电流指向与结型二极管的阳极箭头相同的方向。 参见二极管结,上图。 箭头和棒的点分别对应于P型和N型半导体。 对于NPN和PNP发射器,箭头分别指出和指向底部。 集电极上没有示意图箭头。 但是,与二极管相比,基极-集电极结与基极-发射极结具有相同的极性。 注意,我们说的是二极管,而不是电源,极性。

固态器件理论(6)双极结型晶体管_封装_04
比较(a)处的NPN晶体管和(b)处的PNP晶体管。 注意发射器箭头的方向和电源极性。

与NPN晶体管相比,PNP晶体管的电压源是反向的,如上图所示。 在两种情况下,基极-发射极结必须正向偏置。 与NPN的正(a)相比,PNP晶体管的基极偏置为负(b)。 在这两种情况下,基极-集电极结都是反向偏置的。 对于NPN晶体管,PNP集电极电源为负,而正则为负。

固态器件理论(6)双极结型晶体管_封装_05

双极结型晶体管:(a)分立器件截面,(b)原理图符号,(c)集成电路截面。

请注意,如上图(a)所示,BJT在发射极中掺杂很重,如N +标记所示。基极具有正常的P掺杂水平。基极比未按比例显示的横截面要薄得多。如N-符号所示,集电极是轻掺杂的。集电极需要轻掺杂,以使集电极-基极结具有高击穿电压。这转化为允许的高集电极电源电压。小信号硅晶体管的击穿电压为60-80V。不过,对于高压晶体管,它可能会达到数百伏。如果晶体管必须处理高电流,则还需要重掺杂集电极以最大程度地减少欧姆损耗。通过在金属接触区域更重地掺杂集电极,可以满足这些矛盾的要求。与发射极相比,靠近基极的集电极要轻掺杂。发射极中的重掺杂使小信号晶体管的发射极基极具有大约7 V的低击穿电压。重掺杂的发射极使发射极-基极结具有齐纳二极管的反向偏置特性。

BJT芯片是一块切片和切块的半导体晶片,被集电极向下安装到功率晶体管的金属外壳中。即,金属壳电连接至集电极。小信号管芯可以封装在环氧树脂中。在功率晶体管中,铝焊线将基极和发射极连接到封装引线。小信号晶体管管芯可以直接安装到引线。可以在称为集成电路的单个管芯上制造多个晶体管。甚至可以将集电极粘接到引线上而不是外壳上。集成电路可以包含晶体管和其他集成组件的内部布线。如上图(c)所示,集成的BJT比“不按比例绘制”图纸要薄得多。 P +区将单个管芯中的多个晶体管隔离。铝金属化层(未示出)将多个晶体管和其他组件互连。发射极区被重掺杂,与基极和集电极相比,N +重,以提高发射极效率。
分立的PNP晶体管的质量几乎与NPN晶体管一样高。然而,在同一集成电路芯片中,集成的PNP晶体管不如NPN品种好。因此,集成电路尽可能多地使用NPN。

回顾

双极晶体管利用同一器件中的电子和空穴传导电流。
双极晶体管作为电流放大器的工作要求将集电极-基极结反向偏置,并将发射极-基极结正向偏置。
晶体管与一对背对背二极管的区别在于基极(中心层)非常薄。这允许来自发射极的多数载流子作为少数载流子通过基极扩散到基极-集电极结的耗尽区,在那里强电场将它们收集起来。
与集电极相比,更重的掺杂提高了发射极效率。发射效率:α= IC / IE,小信号设备为0.99
电流增益为β= IC / IB,对于小信号晶体管为100至300。

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