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(shí)驗(yàn)室(Bell Laboratory)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在1947年發(fā)明的，第一個(gè)晶體管是將兩條具有尖銳端點(diǎn)的金屬線與鍺襯底(germanium substrate)形成點(diǎn)接觸(point contact)，以今天的水準(zhǔn)來看，此第一個(gè)晶體管雖非常簡陋但它卻改變了整個(gè)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(diǎn)接觸亦由兩個(gè)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(gè)多重結(jié)的半導(dǎo)體器件。

通常晶體管會(huì)與其他電路器件整合在一起，以獲得電壓、電流或是信號(hào)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(dǎo)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(yīng)用。

什么是P-N結(jié)

由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體接觸形成的結(jié)。

舉個(gè)例子，P型半導(dǎo)體是一塊正方形的泥巴，這個(gè)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(dǎo)體也是一塊正方形的泥巴，這個(gè)泥巴中藏了很多龍蝦（自由電子）。當(dāng)我們把這兩塊泥巴貼在一起的時(shí)候，龍蝦就會(huì)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(jìn)了龍蝦洞后，后面的龍蝦再找龍蝦洞就需要爬的更遠(yuǎn)，更困難。

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

P-N結(jié)有一個(gè)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(gè)門，人可以輕易的從一個(gè)方向推開門，如果你反著推門就很費(fèi)勁。當(dāng)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(jìn)入房間，在P-N結(jié)中，人們也會(huì)利用反著推門的特點(diǎn)，叫反向偏壓。

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

給P-N結(jié)增加一個(gè)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(gè)反向偏壓，類似在泥巴里刮起了臺(tái)風(fēng)，龍蝦前進(jìn)的更慢，龍蝦都堆積在一起，前排龍蝦的數(shù)量增加，半導(dǎo)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(dǎo)體為襯底，利用熱擴(kuò)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(kuò)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(gè)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(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)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(yīng)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(hào)，圖中亦顯示各電流成分和電壓極性，箭頭和“+”、“?”符號(hào)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(duì)此三端點(diǎn)器件，只有兩獨(dú)立電流；若任兩電流為已知，第三端點(diǎn)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(bǔ)的，下圖分別是理想p?n?p晶體管的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)。

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(diǎn)接在一起，或者三端點(diǎn)都接地，陰影區(qū)域分別表示兩個(gè)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(yuǎn)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(qiáng)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(yīng)用到兩個(gè)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(duì)應(yīng)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(qiáng)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(huì)有產(chǎn)生?復(fù)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(kuò)散通過基區(qū)而到達(dá)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(yùn)機(jī)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(fù)合而到達(dá)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(dāng)此兩結(jié)彼此足夠接近時(shí)才會(huì)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(yuǎn)，所有入射的空穴將在基區(qū)中與電子復(fù)合而無法到達(dá)集基區(qū)，并不會(huì)產(chǎn)生晶體管的放大作用，此時(shí)p?n?p的結(jié)構(gòu)就只是單純兩個(gè)背對(duì)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(fù)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(huì)到達(dá)集電極而形成ICp。

基極的電流有三個(gè)，即IBB、IEn以及ICn。

其中IBB代表由基極所供應(yīng)、與入射空穴復(fù)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?fù)诫s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(gè)結(jié)都是正偏，導(dǎo)致兩個(gè)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(dǎo)通狀態(tài)，類似于開關(guān)短路(亦即導(dǎo)通)的狀態(tài)。 在截止模式(cutoff mode)下，晶體管的兩個(gè)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(dāng)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?yàn)榧妳^(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(dāng)作開關(guān)?？衫眯〉幕鶚O電流在極短時(shí)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(gè)或兩個(gè)結(jié)由不同的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成。

HBT的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射效率較高，其應(yīng)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?yàn)槠渚哂羞@些特性，HBT在光電、微波和數(shù)字應(yīng)用上非常受歡迎。如在微波應(yīng)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(gè)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?yàn)榘l(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(jìn)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(diǎn)。InP/InGaAs結(jié)構(gòu)具有非常低的表面復(fù)合，而且InGaAs的電子遷移率較GaAs高出很多，因此具有相當(dāng)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(dá)254GHz。此外，InP在強(qiáng)電場時(shí)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(xiàng)特性在HBT應(yīng)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?fù)诫s而具高速特性。

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

下圖(a)是一個(gè)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?yàn)楣璧妮d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(dǎo)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(dǎo)過程皆牽涉到電子和空穴，但其開關(guān)機(jī)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(gè)四層p?n?p?n器件，由三個(gè)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(gè)沒有額外電極的結(jié)構(gòu)是個(gè)兩端點(diǎn)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(diǎn)器件稱為半導(dǎo)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(dāng)作起始材料(n層)，再以一擴(kuò)散步驟同時(shí)形成p1和p2層，最后用合金或擴(kuò)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(gè)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(yīng)用，可以調(diào)整由電源線傳至負(fù)載的功率，負(fù)載及RL可能是燈泡或是暖爐類的加熱器，在每個(gè)周期中傳至負(fù)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(gè)周期開始時(shí)就加入柵極，就會(huì)有較多的功率傳送到負(fù)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(dǎo)通，傳送到負(fù)載的功率將會(huì)顯著下降。

審核編輯：劉清