雙極晶體管的基本結(jié)構(gòu)

前言

雙極晶體管是雙極型結(jié)型晶體管（BJT）的簡(jiǎn)稱，在電力半導(dǎo)體中，也稱作大功率晶體管（GTR），在現(xiàn)代電力電子變換器中大多已經(jīng)被MOSFET或者IGBT所代替。了解雙極晶體管有助于深入理解現(xiàn)代功率器件的結(jié)構(gòu)。

BJT與一般的晶體三極管有相似的結(jié)構(gòu)、工作原理。BJT由一片半導(dǎo)體上的兩個(gè)PN結(jié)組成，可以分為PNP或NPN型兩種結(jié)構(gòu)，圖1中給出了兩種BJT的符號(hào)以及其三個(gè)輸出端子的定義。

圖1 NPN型和PNP型雙極晶體管的符號(hào)

為電力半導(dǎo)體器件，BJT大多采用NPN型結(jié)構(gòu)。BJT的三層兩結(jié)結(jié)構(gòu)并非由單純的電路連接形成，而需較復(fù)雜的工藝制作過程。大多數(shù)雙極型功率晶體管是在重?fù)诫s的N+硅襯底上，用外延生長(zhǎng)法在N+上生長(zhǎng)一層N-漂移層，然后在漂移層上擴(kuò)散P基區(qū)，接著擴(kuò)散N+發(fā)射區(qū)，因此稱之為三重?cái)U(kuò)散。基極與發(fā)射極在一個(gè)平面上做成叉指型以減少電流集中和提高器件電流處理能力。三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型NPN型BJT的結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖2所示。圖中摻雜濃度高的N+區(qū)稱為BJT的發(fā)射區(qū)，其作用是向基區(qū)注入載流子?；鶇^(qū)是一個(gè)厚度為幾μm至幾十μm之間的P型半導(dǎo)體薄層，它的任務(wù)是傳送和控制載流子。集電區(qū)則是收集載流子的N型半導(dǎo)體層，常在集電區(qū)中設(shè)置輕摻雜的N-區(qū)以提高器件的耐壓能力。不同類型半導(dǎo)體區(qū)的交界處則形成PN結(jié)，發(fā)射區(qū)與基區(qū)交界處的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)（J1），集電區(qū)與基區(qū)交界處的PN 結(jié)稱為集電結(jié)（J2）。

圖2 三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型NPN型BJT的結(jié)構(gòu)剖面

般將NPN型BJT簡(jiǎn)化成如圖3a的結(jié)構(gòu)，在這里集電區(qū)中的N-N+結(jié)的作用沒有考慮，這樣發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)可認(rèn)為都是均勻摻雜。

普通的晶體三極管三個(gè)端子在電路中可以有不同的接法，比如共基極、共集電極、共發(fā)射極等。BJT在電力電子變換器中一般使用共發(fā)射極接法，如圖3b所示。其中BJT的基極和發(fā)射極之間的電壓為UBE，集電極與發(fā)射極之間的電壓為UCE。

圖3 NPN型BJT的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和共發(fā)射極電路

BJT中各部分的摻雜濃度和平衡時(shí)的能帶圖如圖4所示。此時(shí)BJT的基射極之間的電壓和集射極之間的電壓都為零。在能帶圖中，三個(gè)區(qū)域的費(fèi)米能級(jí)保持一致，則發(fā)射區(qū)的施主原子摻雜多，電子濃度大，能帶被降低；基區(qū)的受主原子摻雜多，空穴濃度大，能帶被抬高；集電區(qū)為N型輕摻雜，能帶只稍微降低。其中，NDE、NAB和NDC分別表示發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)雜質(zhì)原子的濃度，角標(biāo)的第一字母表示雜質(zhì)屬性，是施主還是受主，第二個(gè)字母表示區(qū)域。從圖中可以看出，其能帶可以看成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)的能帶，只是兩個(gè)二極管中間的距離非常近。

圖4 NPN型BJT的摻雜濃度和平衡時(shí)的能帶圖

以上是雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)介紹，下一講將解釋雙極晶體管是如何工作的。