熟透雙極性晶體管（BJT) 輕松做手機(jī)射頻PA

前言

首先介紹了雙極性晶體管（BJT）的工作原理，接著演示了晶體管的伏安（I-V）特性，電流增益（current gain）和輸出電導(dǎo)（conductance）。高能注入和重?fù)诫s帶來的能帶狹窄也會(huì)介紹到。

解釋了SiGe晶體管、度越時(shí)間、截止頻率的基本概念。另外介紹一些BJT的晶體管模型，比如Ebers-Moll，smal-signal和charge control模型。每一個(gè)模型都有各自的應(yīng)用范圍。

BJT雙極性集體管是在1948年由坐落在美國(guó)新澤西的貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的。BJT是第一個(gè)量產(chǎn)的晶體管，領(lǐng)先于MOSFET十年多。大約在1968年，當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）被發(fā)明后，MOSFET迅速憑借高密度低功耗的優(yōu)勢(shì)，超越了BJT。

但是，在一些高頻率和模擬領(lǐng)域，BJT依然是更好的選擇，這是因?yàn)锽JT具有高速、低噪聲和高輸出功率的特點(diǎn)。大家比較熟悉的手機(jī)射頻放大器都是采用BJT。補(bǔ)充說明：高密度互補(bǔ)MOS芯片，如果集成了少量的BJT，這種一般叫做BiCMOS技術(shù)。

雙極性Bipolar表示在BJT工作過程中，電子和空穴都參與了。事實(shí)上，在PN結(jié)中，少數(shù)派的載流子起到了關(guān)鍵作用。結(jié)（Junction）表示PN junction對(duì)于BJT的工作起到了至關(guān)重要的作用。

介紹BJT

組成BJT的是重?fù)诫s的發(fā)射極（emitter），P型的基極（base）和一個(gè)N型的集電極（collector）。這類器件叫做NPN BJT。

類似，一個(gè)PNP BJT有一個(gè)P+發(fā)射極，N型的base和P型的collector。相比于PNP的三極管，NPN的三極管表現(xiàn)出更高的跨導(dǎo)和速度，這是因?yàn)殡娮酉鄬?duì)于空穴移動(dòng)速度更快。所以行業(yè)內(nèi)一般說BJT，指的就是NPN型。

（a）NPN BJT的示意圖和正常電壓極性

（b）從發(fā)射極注入到基極的電子決定了集電極電流Ic

（c）Ic基本上被VBE決定，對(duì)于VCB不敏感

當(dāng)base-emitter發(fā)射結(jié)正偏，電子就被注入到了輕度摻雜的base。他們擴(kuò)散到反向偏置的base-collector結(jié)（耗盡層邊緣），最后進(jìn)入集電極。這就產(chǎn)生了集電極電流Ic。只要是VCB是反向偏置的（或者小信號(hào)正偏），那么Ic就和VCB沒有關(guān)聯(lián)。從emitter注入到collector的電子比率決定了Ic，或者說由VBE決定。一般在PN 二極管中，這個(gè)注入比率大概和下面的表達(dá)式成比例。

從圖（c）中可以很明顯看到這個(gè)結(jié)論。

通常發(fā)射極會(huì)直接接到地。這里的emitter和collector類似于MOSFET里面的source（源） 和drain（漏）。base類似gate（柵）。Ic電流相對(duì)于VCE的圖例請(qǐng)參考下圖。

（a）共射架構(gòu)

（b）Ic vs VCE

（c）可以采用IB來作為參數(shù)

（d）NPN電路符號(hào)

當(dāng)VCE約等于0.3V，base-collector正偏，Ic下降。因?yàn)榧纳?a target="_blank">電阻下降，很難精確評(píng)估base-emitter結(jié)電壓，所以一般測(cè)量IB。下回我們來討論Ic和IB的比例關(guān)系。

致謝

全文翻譯自George Mason University的半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)。原作者擁有全部版權(quán)。