什么是雙極性晶體管？雙極型晶體管的放大模式解析

雙極型晶體管，電子工業(yè)的基石，引領(lǐng)著人類科技發(fā)展的重要引擎。

雙極型晶體管的起源

雙極型晶體管是由貝爾實驗室(Bell Laboratory)的一個研究團隊在1947年發(fā)明的，第一個晶體管是將兩條具有尖銳端點的金屬線與鍺襯底(germanium substrate)形成點接觸(point contact)，以今天的水準來看，此第一個晶體管雖非常簡陋但它卻改變了整個電子工業(yè)及人類的生活方式。

現(xiàn)代雙極型晶體管，鍺襯底已由硅(silicon)取代，點接觸亦由兩個相鄰的耦合p?n結(jié)(coupled p?n junction)所取代，其結(jié)構(gòu)可為p?n?p或n?p?n的形式。

晶體管(transistor，是轉(zhuǎn)換電阻transfer resistor的縮寫)是一個多重結(jié)的半導體器件。

通常晶體管會與其他電路器件整合在一起，以獲得電壓、電流或是信號功率增益。

雙極型晶體管(bipolartransistor)，或稱雙極型結(jié)晶體管(bipolar junction transistor，BJT)是最重要的半導體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應用。

什么是P-N結(jié)

由p型半導體和n型半導體接觸形成的結(jié)。

舉個例子，P型半導體是一塊正方形的泥巴，這個泥巴里有很多孔洞（空穴），類似于我們看到的龍蝦洞。N型半導體也是一塊正方形的泥巴，這個泥巴中藏了很多龍蝦（自由電子）。當我們把這兩塊泥巴貼在一起的時候，龍蝦就會往龍蝦洞的方向爬。

最前排的龍蝦最先找到第一排的龍蝦洞，第一排的龍蝦鉆進了龍蝦洞后，后面的龍蝦再找龍蝦洞就需要爬的更遠，更困難。

前面幾排龍蝦洞已消耗殆盡，半導體行業(yè)將這個區(qū)域稱為耗盡區(qū)(Depletionregion)。

P-N結(jié)有一個特性，叫做整流性，即只容許電流流經(jīng)單一方向。

就好像一個門，人可以輕易的從一個方向推開門，如果你反著推門就很費勁。當然，你也可以用很大的力暴力推門，門被推碎了，這是過程我們稱為結(jié)擊穿。

如果從電流-電壓特性來看P-N結(jié)，曲線如下圖所示：

雖然正著推門，人們很容易進入房間，在P-N結(jié)中，人們也會利用反著推門的特點，叫反向偏壓。

在一個P-N結(jié)上加正向偏壓和一個反向的偏壓，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？

給P-N結(jié)增加一個正向偏壓，類似在泥巴里給前排小龍蝦坐上了汽車，前排小龍蝦很快就到了龍蝦洞，整體龍蝦出行減少，龍蝦爬向龍蝦洞的數(shù)量也減少，耗盡區(qū)寬度減小。

給P-N結(jié)增加一個反向偏壓，類似在泥巴里刮起了臺風，龍蝦前進的更慢，龍蝦都堆積在一起，前排龍蝦的數(shù)量增加，半導體耗盡區(qū)寬度增加。

下圖中(a)是P-N結(jié)正常耗盡區(qū)寬度，(b)是加載正向偏壓后，(c)是加載反向偏壓后；

雙極性晶體管的結(jié)構(gòu)

下圖為p?n?p雙極型晶體管的透視圖，其制造過程是以p型半導體為襯底，利用熱擴散的原理在p型襯底上形成n型區(qū)，再在此n型區(qū)上以熱擴散形成一高濃度的p＋型區(qū)，接著以金屬覆蓋p＋、n以及下方的p型區(qū)形成歐姆接觸。

p?n?p雙極型晶體管，具有三段不同摻雜濃度的區(qū)域，形成兩個p?n結(jié)。濃度最高的p＋區(qū)稱為發(fā)射區(qū)(emitter，以E表示)；

中間較窄的n型區(qū)域，其雜質(zhì)濃度中等，稱為基區(qū)(base，用B表示)，基區(qū)的寬度需遠小于少數(shù)載流子的擴散長度；

濃度最小的p型區(qū)域稱為集電區(qū)(collector，用C表示)。各區(qū)域內(nèi)的濃度假設(shè)均勻分布，p?n結(jié)的概念可直接應用在晶體管內(nèi)的結(jié)上。

下圖為p?n?p雙極型晶體管的電路符號，圖中亦顯示各電流成分和電壓極性，箭頭和“+”、“?”符號分別表示晶體管在一般工作模式(即放大模式，active mode)下各電流的方向和電壓的極性，該模式下，射基結(jié)為正向偏壓(VEB＞0)，而集基結(jié)為反向偏壓(VCB＜0)。根據(jù)基爾霍夫電路定律(Kirchhoff’s circuit law)，對此三端點器件，只有兩獨立電流；若任兩電流為已知，第三端點電流即可求得。

n?p?n雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)與p?n?p雙極型晶體管是互補的，下圖分別是理想p?n?p晶體管的結(jié)構(gòu)與電路符號。

將p?n?p雙極型晶體管結(jié)構(gòu)中的p換成n、n換成p，即為n?p?n雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)，因此電流方向與電壓極性也都相反。

了解了p?n?p晶體管，只要將極性和摻雜類型調(diào)換，即可描述n?p?n晶體管。

雙極型晶體管的放大模式

下圖(a)是熱平衡狀態(tài)下的理想p?n?p雙極型晶體管，即其三端點接在一起，或者三端點都接地，陰影區(qū)域分別表示兩個p?n結(jié)的耗盡區(qū)。

圖(b)顯示三段摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠比集電區(qū)大，基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。

圖(c)為耗盡區(qū)的電場強度分布情況。

圖(d)是晶體管的能帶圖，它只是將熱平衡狀態(tài)下p?n結(jié)能帶直接延伸，應用到兩個相鄰的耦合p＋?n結(jié)與n?p結(jié)。

下圖是前圖所示的晶體管工作在放大模式下相對應的各子圖。

圖(a)將晶體管連接成共基組態(tài)(common?base configuration)放大器，即基極被輸入與輸出電路所共用。

圖(b)與圖(c)表示出偏壓狀態(tài)下電荷密度與電場強度分布的情形，與前圖的熱平衡狀態(tài)下比較，射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄，而集基結(jié)耗盡區(qū)變寬。

圖(d)是晶體管工作在放大模式下的能帶圖，射基結(jié)為正向偏壓，因此空穴由p＋發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。

在理想二極管中，耗盡區(qū)不會有產(chǎn)生?復合電流，所以由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴與由基區(qū)到發(fā)射區(qū)的電子組成了發(fā)射極電流。

而集基結(jié)是處在反偏狀態(tài)，因此有一反向飽和電流流過。若基區(qū)寬度足夠小，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能擴散通過基區(qū)而到達集基結(jié)耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下通過集電區(qū)。

此種輸運機制便是注射載流子的“發(fā)射極”以及收集鄰近結(jié)注射過來的載流子的“集電極”名稱的由來。

如果大部分入射的空穴都沒有與基區(qū)中的電子復合而到達集電極，則集電極的空穴電流將非常接近發(fā)射極空穴電流。

可見，由鄰近的射基結(jié)注射過來的空穴可在反偏的集基結(jié)造成大電流，這就是晶體管的放大作用(transistor action)，而且只有當此兩結(jié)彼此足夠接近時才會發(fā)生，因此此兩結(jié)被稱為交互p?n結(jié)(interactingp?n junction)。

相反地，如果此兩p?n結(jié)距離太遠，所有入射的空穴將在基區(qū)中與電子復合而無法到達集基區(qū)，并不會產(chǎn)生晶體管的放大作用，此時p?n?p的結(jié)構(gòu)就只是單純兩個背對背連接的p?n二極管。

電流增益：下圖中顯示出理想的p?n?p晶體管在放大模式下的各電流成分。設(shè)耗盡區(qū)中無產(chǎn)生?復合電流，則由發(fā)射區(qū)注入的空穴將構(gòu)成最大的電流成分IEp 。

大部分的入射空穴將會到達集電極而形成ICp。

基極的電流有三個，即IBB、IEn以及ICn。

其中IBB代表由基極所供應、與入射空穴復合的電子電流(即IBB=IEp?ICp)；IEn代表由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電子電流，是不希望有的電流成分，可利用發(fā)射區(qū)重摻雜或異質(zhì)結(jié)來減少；ICn代表集電結(jié)附近因熱所產(chǎn)生、由集電區(qū)流往基區(qū)的電子電流。

工作模式：根據(jù)射基結(jié)與集基結(jié)上偏壓的不同，雙極型晶體管有四種工作模式。

下圖顯示了p?n?p晶體管的四種工作模式與VEB、VCB的關(guān)系，每一種工作模式的少數(shù)載流子分布也顯示在圖中。

如在放大模式下，射基結(jié)是正向偏壓，集基結(jié)是反向偏壓。

在飽和模式(saturation mode)下，晶體管中的兩個結(jié)都是正偏，導致兩個結(jié)的耗盡區(qū)中少數(shù)載流子分布并非為零。在飽和模式下，極小的電壓就產(chǎn)生極大的輸出電流，晶體管處于導通狀態(tài)，類似于開關(guān)短路(亦即導通)的狀態(tài)。 在截止模式(cutoff mode)下，晶體管的兩個結(jié)皆為反偏，邊界條件變?yōu)閜n(0)=pn(W)=0，截止模式下的晶體管可視為開關(guān)斷路(或關(guān)閉)。

在反轉(zhuǎn)模式(inverted mode)下，射基結(jié)是反向偏壓，集基結(jié)是正向偏壓；在反轉(zhuǎn)模式下晶體管的集電極用作發(fā)射極，而發(fā)射極用作集電極，相當于晶體管被倒過來用，但是在反轉(zhuǎn)模式下的電流增益通常較放大模式小，這是因為集電區(qū)摻雜濃度較基區(qū)濃度小，造成低的“發(fā)射效率”所致。

開關(guān)暫態(tài)過程：在數(shù)字電路中晶體管的主要作用是當作開關(guān)?？衫眯〉幕鶚O電流在極短時間內(nèi)改變集電極電流由關(guān)(off)成為開(on)(反之亦然)。關(guān)是高電壓低電流，開是低電壓高電流。

異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管

異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)是指晶體管中的一個或兩個結(jié)由不同的半導體材料所構(gòu)成。

HBT的主要優(yōu)點是發(fā)射效率較高，其應用基本上與雙極型晶體管相同，但HBT具有較高的速度，可以工作在更高的頻率。因為其具有這些特性，HBT在光電、微波和數(shù)字應用上非常受歡迎。如在微波應用方面，HBT常被用來制造固態(tài)微波及毫米波功率放大器、震蕩器和混頻器。

基本HBT結(jié)構(gòu)：大部分HBT的技術(shù)都是在AlxGa1?xAs/GaAs材料系統(tǒng)中發(fā)展的，下圖是一個基本n?p?n型HBT結(jié)構(gòu)。

n型發(fā)射區(qū)是以寬禁帶的AlxGa1?xAs組成，而p型基區(qū)是以禁帶寬度較窄的GaAs組成，n型集電區(qū)和n型次集電區(qū)分別以低摻雜濃度和高摻雜濃度的GaAs組成。

為了形成歐姆接觸，在發(fā)射區(qū)接觸和砷化鋁鎵層之間加了一層高摻雜濃度的n型砷化鎵。因為發(fā)射區(qū)和基區(qū)材料間具有很大的禁帶寬度差，共射電流增益可以提到很高。而同質(zhì)結(jié)的雙極型晶體管并無禁帶寬度差存在，必須將發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度比提到很高，這是同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管最基本的不同處。

先進的HBT：最近幾年InP系(InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs)的材料被系統(tǒng)地研究，InP系異質(zhì)結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點。InP/InGaAs結(jié)構(gòu)具有非常低的表面復合，而且InGaAs的電子遷移率較GaAs高出很多，因此具有相當優(yōu)異的高頻表現(xiàn)。

下圖是一典型磷化銦系HBT的特性曲線，其截止頻率可高達254GHz。此外，InP在強電場時比GaAs具有更高的漂移速率，擊穿電壓亦比GaAs高。

另一種異質(zhì)結(jié)是Si/SiGe材料體系，它有幾項特性在HBT應用中非常具有吸引力。如同AlGaAs/GaAs HBT，Si/SiGe HBT也因禁帶寬度差可重摻雜而具高速特性。

硅界面陷阱密度低，可以減少表面復合電流，確保在低集電極電流時，仍維持高電流增益。另外，與標準硅工藝技術(shù)相容也是一個深具吸引力的特性。

下圖(a)是一個典型Si/SiGe HBT結(jié)構(gòu)，圖(b)是Si/SiGeHBT與硅同質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的集電極電流比較，結(jié)果顯示Si/SiGe HBT具有較高的電流增益。與砷化鎵系和磷化銦系的HBT相較，Si/SiGe HBT具有較低的截止頻率，此乃因為硅的載流子遷移率較低。

可控硅器件及相關(guān)功率器件

可控硅器件是一種非常重要的功率器件，可用來作高電壓和高電流的控制，使器件從關(guān)閉或是阻斷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟或是導通的狀態(tài)，反之亦然。其工作與雙極型晶體管有密切的關(guān)系，傳導過程皆牽涉到電子和空穴，但其開關(guān)機制和結(jié)構(gòu)與雙極型晶體管不同，有較寬廣范圍的電流、電壓控制能力，其額定電流可由幾毫安到超過5000A，額定電壓>10000V。

基本特性：下圖是可控硅器件的截面示意圖，是一個四層p?n?p?n器件，由三個串接的p?n結(jié)J1、J2、J3組成。與接觸電極相連的最外一p層稱為陽極(anode)，另一邊的n層稱為陰極(cathode)。這個沒有額外電極的結(jié)構(gòu)是個兩端點的器件，被稱為p?n?p?n二極管。

若另一稱為柵極(Gate)的電極被連到內(nèi)層的p2層，所構(gòu)成的三端點器件稱為半導體控制整流器(semiconductor?controlled rectifier, SCR)或可控硅器件(thyristor)。

下圖(b)是一典型的可控硅器件摻雜濃度分布圖，首先選一高阻值的n型硅片當作起始材料(n層)，再以一擴散步驟同時形成p1和p2層，最后用合金或擴散，在硅片的一邊形成n2層。

圖(c)是可控硅器件在熱平衡狀態(tài)下的能帶圖；其中每個結(jié)都有耗盡層，其內(nèi)建電勢由摻雜濃度決定。

下圖是一可控硅器件的簡單應用，可以調(diào)整由電源線傳至負載的功率，負載及RL可能是燈泡或是暖爐類的加熱器，在每個周期中傳至負載的功率是由可控硅器件的柵極電流脈沖所控制的。

若電流脈沖在接近每個周期開始時就加入柵極，就會有較多的功率傳送到負載。相反地，如果將電流脈沖延遲，可控硅器件在周期尾聲才導通，傳送到負載的功率將會顯著下降。

審核編輯：劉清