雙極型晶體管原理詳細介紹

電子和空穴兩種載流子都起作用的晶體管，又稱結型晶體管。

1948年，人們發現原始的點接觸晶體管具有放大作用,但由于金屬絲與晶體表面的接觸很不可靠,因此使用受到很大限制。1950年，用切克勞斯基法拉出鍺單晶，接著又拉出硅單晶。1951年發展鍺的區域提純技術和硅的無坩堝區域提純技術,獲得純度達99.999999％的鍺、硅單晶。在PN結理論發展的基礎上，加上鍺材料、硅材料制備技術的進展，1951年用合金法制成合金結晶體管。1955年雜質向半導體中擴散的新技術得到發展，1956年制成擴散型晶體管，使晶體管的工作頻率提高兩個數量級。1959年硅表面熱生長二氧化硅工藝和光刻技術的發展，促使1960年研制成功平面型晶體管。由于晶體管表面有了鈍化層，使器件的穩定性大為提高。平面技術為集成電路和大規模集成電路的研究打下基礎。
　　基本結構 　

雙極型晶體管有兩種基本結構;PNP型和NPN型（圖1），由兩個背靠背的PN結組成。在這三層半導體中,中間一層叫基區(B)，左右兩層分別叫發射區(E)和集電區(C)。發射區和基區間形成發射結，集電區和基區間形成集電結。晶體管按功率耗散能力大小可分為小功率管、中功率管、大功率管。按工作頻率的高低可分為低頻管、高頻管、微波管。按制造工藝又可分為合金管、合金擴散管、臺式管、外延平面管（圖2）。合金管的基區寬度和結電容都較大,頻率性能差,一般僅用于低頻電路。合金擴散管的基區由擴散形成,基區較薄,基區雜質分布所形成的內建場能加速少數載流子渡越，因此它的頻率特性較好，可用于高頻范圍。外延平面管的基區和發射區都可用擴散或離子注入工藝形成，基區寬度可精確控制到 0.1微米。采用電子束曝光、干法腐蝕等新工藝可獲得亞微米的管芯圖形線條。因此，它的工作頻率可從超高頻一直延伸到微濾 X波段。外延平面管加上摻金工藝可制成超高速開關管和各種高速集成電路（如ECL電路）。
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雙極型晶體管
　　放大作用

　對于 NPN晶體管共發射極電路，若在發射結上加正偏壓，在集電結上加負偏壓，則晶體管處于放大狀態。從基極注入1毫安的電流IC,在集電極就可獲得幾十毫安的輸出電流IC。IC/IC稱為共發射極電流放大系數β，一般在10～200之間。由于晶體管的輸出阻抗遠大于輸入阻抗，輸出電流又遠大于輸入電流，因此共發射極晶體管具有很強的電壓放大和功率放大能力。在高頻工作時，如果使晶體管的外接網絡阻抗分別與晶體管的輸入、輸出阻抗匹配，則可獲得最佳功率增益。根據電路的工作需要，晶體管還可接成共基極或共集電極形式。
　　應用

　雙極型晶體管比電子管體積小、重量輕、耗電少、壽命長、可靠性高、已逐步取代電子管。雙極型晶體管已廣泛用于廣播、電視、通信、雷達、電子計算機、自動控制裝置、電子儀器、家用電器等各個領域。
　　雙極型微波低噪聲管廣泛用于雷達接收機、地面移動通信設備、航空電臺、微波接力通信和遙控遙測設備。高速開關晶體管用于高速計算機的邏輯運算單元。高壓大功率臺式雙極型功率管是電視機行掃描電路和電源電路的關鍵器件。在超低頻通信、醫用電子儀器中大量使用超低頻低噪聲晶體管。雙極型微波功率晶體管用于相控陣遠程預警雷達、微波通信發射機、通信衛星和氣象衛星的發射部件中。
　　發展趨勢

　硅晶體管的實際頻率特性已經接近設計極限。為進一步提高雙極型晶體管的工作頻率，發展了異質結雙極型三極管。采用異質結新結構，可利用高電子遷移率的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體制成雙極型晶體管,這是雙極型晶體管制造技術的一次重大變革。

雖然二極管是很有用的器件，但它不能放大信號，幾乎所有的電路都以某種方式要求放大信號。一種能放大信號的器件就是雙極型晶體管（BJT）。

圖1是兩種雙極型晶體管的結構圖。每個晶體管有3個半導體區，他們分別是發射極，基極和集電極。基極總是夾在發射極和集電極之間。NPN管由N型的發射極，P型的基極和N型的集電極組成。類似的，PNP管由P型的發射極，N型的基極和P型的集電極組成。在這些簡圖中，晶體管的每個區都是均勻摻雜的矩形硅。現代的雙極型晶體管稍微有點不同，但工作原理還是一樣的。

圖1中也畫出了兩種晶體管的電路符號。發射極上的箭頭表明了發射極－基極結正向偏置情況下電流的流向。雖然集電極和基極之間也有結，但在集電極上沒有標上箭頭。在圖1簡化的晶體管中，發射極－基極結和集電極－基極結看上去是一樣的。看上去把集電極和發射極對調對器件沒有什么影響。實際上，這兩個結有不同的摻雜屬性和幾何形狀，所以不能對調。發射極靠箭頭和集電極區分開來。

雙極型晶體管能看成是兩個背靠背連起來的PN結。晶體管的基極區非常的薄（大約1－12μm）。由于兩個結靠的非常近，載流子能在復合前從一個結擴散到另一個結。因此一個結的導通對另一個結也有影響。

圖2（A）中是一個基極－發射極零偏置，基極－集電極5伏偏置的NPN晶體管。由于沒有結是正向偏置，所以晶體管的三端都只有很小的電流。兩個結都反向偏置的晶體管稱為cutoff狀態。圖2（B）中有10微安的電流注入基極。這個電流使得基極－發射極正向偏置了約0.65伏。這時雖然基極－集電極還是反向偏置狀態，但有一個是基極電流100倍的集電極電流流過基極－集電極結。這個電流是正向偏置的基極－發射極結和反向偏置的基極－集電極結相互作用的結果。處于這種偏置狀態的晶體管，它被稱為在forward active區。如果發射極和集電極相互對調，基極－發射極變成反向偏置，基極－集電極正向偏置，這個晶體管稱為在reverse active區。實際上，晶體管很少工作在這種方式下。

圖3解釋了為什么集電極電流能流過反向偏置的結。只要基極－發射極變成正向偏置，馬上就有載流子流過這個結。流過這個結的大多數電流是由重摻雜的發射極注入輕摻雜的基極的電子。大多數電子在他們復合前就擴散通過了很窄的基極區。因為基極－集電極是反向偏置的，所以只有很少的多數載流子能從基極流到集電極。同樣的，這個阻止多數載流子運動的電場幫助少數載流子運動。在基極里，電子是少數載流子，所以他們都穿過了反向偏置的基極－集電極結進入集電極。在集電極里，他們又成了多數載流子，往集電極的引線端運動。所以集電極的電流里主要是順利的從發射極來到集電極而沒有在基極復合的電子。

有些注入到基極的電子也確實沒有到達集電極。那些沒有到達集電極的電子在基極中復合了。基極的復合需要消耗從基極引線端流入的電流里的空穴。也有些空穴從基極注入到了發射極，但他們都很快的復合了。這些空穴就是基極引線端電流的第2個來源。這些復合的過程通常消耗不超過1％的發射極電流，所以只需要一個很小的基極電流就能維持基極－發射極的正向偏置。