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電子百科晶體管

雙極性晶體管

雙極性晶體管

發展應用

  • ??? 1947年12月,貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·豪澤·布喇頓在威廉·肖克利的指導下共同發

    ??? 明了點接觸形式的雙極性晶體管。1948年,肖克利發明了采用結型構造的雙極性晶體管。在其后的大約三十年時間內,這種器件是制造分立元件電路和集成電路的不二選擇。

    ??? 早期的晶體管是由鍺制造的。在1950年代和1960年代,鍺晶體管的使用多于硅晶體管。相對于硅晶體管,鍺晶體管的截止電壓更小,通常約0.2伏特,這使得鍺晶體管適用于某些應用場合。在晶體管的早期歷史中,曾有多種雙極性晶體管的制造方法被開發出來。

    ??? 鍺晶體管的一個主要缺點是它容易產生熱失控。由于鍺的禁帶寬度較窄,并且要穩定工作則要求的溫度相對硅半導體更嚴,因此大多數現代的雙極性晶體管是由硅制造的。采用硅材料的另一個重要原因是硅在地球上的儲量比鍺豐富得多(僅次于氧)。

    ??? 后來,人們也開始使用以砷化鎵為代表的化合物來制造半導體晶體管。砷化鎵的電子遷移率為硅的5倍,用它制造的晶體管能夠達到較高的工作頻率。此外,砷化鎵熱導率較低,有利于高溫下進行的加工。化合物晶體管通常可以應用于高速器件。

    ??? 雙極性晶體管能夠提供信號放大,它在功率控制、模擬信號處理等領域有所應用。此外,由于基極-發射極偏置電壓與溫度、電流的關系已知,雙極性晶體管還可以被用來測量溫度。根據基極-發射極電壓與基極-發射極和集電極-發射極電流的對數關系,雙極性晶體管也能被用來計算對數或求自然對數的冪指數。

    ??? 隨著人們對于能源問題的認識不斷加深,場效應管(如CMOS)技術憑借更低的功耗,在數字集成電路中逐漸成為主流,雙極性晶體管在集成電路中的使用由此逐漸變少。但是應當看到,即使在現代的集成電路中,雙極性晶體管依然是一種重要的器件,市場上仍有大量種類齊全、價格低廉的晶體管產品可供選擇。與金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET,它是場效應管的一種,另一種為結型場效應管)相比,雙極性晶體管能提供較高的跨導和輸出電阻,并具有高速、耐久的特性,在功率控制方面能力突出。因此,雙極性晶體管依舊是組成模擬電路,尤其是甚高頻應用電路(如無線通信系統中的射頻電路)的重要配件。雙極性晶體管可以通過BiCMOS技術與和MOSFET制作在一塊集成電路上,這樣就可以充分利用兩者的優點(如雙極性晶體管的電流放大能力和場效應管的低功耗特點)

基本原理

  • ??? NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽極的兩個二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態下,基極-發射極結(稱這個PN結為“發射結”)處于正向偏置狀態,而基極-集電極(稱這個PN結為“集電結”)則處于反向偏置狀態。在沒有外加電壓時,發射結N區的電子(這一區域的多數載流子)濃度大于P區的電子濃度,部分電子將擴散到P區。同理,P區的部分空穴也將擴散到N區。這樣,發射結上將形成一個空間電荷區(也成為耗盡層),產生一個內在的電場,其方向由N區指向P區,這個電場將阻礙上述擴散過程的進一步發生,從而達成動態平衡。這時,如果把一個正向電壓施加在發射結上,上述載流子擴散運動和耗盡層中內在電場之間的動態平衡將被打破,這樣會使熱激發電子注入基極區域。在NPN型晶體管里,基區為P型摻雜,這里空穴為多數摻雜物質,因此在這區域電子被稱為“少數載流子”。

    ??? 從發射極被注入到基極區域的電子,一方面與這里的多數載流子空穴發生復合,另一方面,由于基極區域摻雜程度低、物理尺寸薄,并且集電結處于反向偏置狀態,大部分電子將通過漂移運動抵達集電極區域,形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達集電結之前發生的復合,晶體管的基極區域必須制造得足夠薄,以至于載流子擴散所需的時間短于半導體少數載流子的壽命,同時,基極的厚度必須遠小于電子的擴散長度(diffusion length,參見菲克定律)。在現代的雙極性晶體管中,基極區域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是,集電極、發射極雖然都是N型摻雜,但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同,因此必須將雙極性晶體管與兩個相反方向二極管串聯在一起的形式區分開來。

分析方法

  • ??? 從基極區域的少數載流子濃度出發,可以解釋集電極的載流子流動。如果雙極性晶體管為小注入(low level injection),即通過某些物理過程(如光注入或電注入)引入的非平衡載流子(excess carrier,或稱“過剩載流子”)比熱平衡時的多數載流子少得多,雙極性擴散(即非平衡多數載流子和少數載流子以相同速率流動)速率實際上由非平衡少數載流子決定。另外,雙極性晶體管處理高頻信號的能力還受限于基極區域載流子的渡越時間。

結構

  • ??? 一個雙極性晶體管由三個不同的摻雜半導體區域組成,它們分別是發射極區域、基極區域和集電極區域。這些區域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導體,而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導體。每一個半導體區域都有一個引腳端接出,通常用字母E、B和C來表示發射極(Emitter)、基極(Base)和集電極(Collector)。

    ??? 基極的物理位置在發射極和集電極之間,它由輕摻雜、高電阻率的材料制成。集電極包圍著基極區域,由于集電結反向偏置,電子很難從這里被注入到基極區域,這樣就造成共基極電流增益約等于1,而共射極電流增益取得較大的數值。從右邊這個典型NPN型雙極性晶體管的截面簡圖可以看出,集電結的面積大于發射結。此外,發射極具有相當高的摻雜濃度。

    ??? 在通常情況下,雙極性晶體管的幾個區域在物理性質、幾何尺寸上并不對稱。假設連接在電路中的晶體管位于正向放大區,如果此時將晶體管集電極和發射極在電路中的連接互換,將使晶體管離開正向放大區,進入反向工作區。晶體管的內部結構決定了它適合在正向放大區工作,所以反向工作區的共基極電流增益和共射極電流增益比晶體管位于正向放大區時小得多。這種功能上的不對稱,根本上是緣于發射極和集電極的摻雜程度不同。因此,在NPN型晶體管中,盡管集電極和發射極都為N型摻雜,但是二者的電學性質和功能完全不能互換。發射極區域的摻雜程度最高,集電極區域次之,基極區域摻雜程度最低。此外,三個區域的物理尺度也有所不同,其中基極區域很薄,并且集電極面積大于發射極面積。由于雙極性晶體管具有這樣的物質結構,因此可以為集電結提供一個反向偏置,不過這樣做的前提是這個反向偏置不能過大,以致于晶體管損壞。對發射極進行重摻雜的目的是為了增加發射極電子注入到基極區域的效率,從而實現盡量高的電流增益。

    ??? 在雙極性晶體管的共射極接法里,施加于基極、發射極兩端電壓的微小變化,都會造成發射極和集電極之間的電流發生顯著變化。利用這一性質,可以放大輸入的電流或電壓。把雙極性晶體管的基極當做輸入端,集電極當做輸出端,可以利用戴維南定理分析這個二端口網絡。利用等效的原理,可以將雙極性晶體管看成是電壓控制的電流源,也可以將其視為電流控制的電壓源。此外,從二端口網絡的左邊看進去,基極處的輸入阻抗減小到基極電阻的,這樣就降低了對前一級電路的負載能力的要求。[1]

    ??? NPN型

    ??? NPN型晶體管是兩種類型雙極性晶體管的其中一種,由兩層N型摻雜區域和介于二者之間的一層P型摻雜半導體(基極)組成。輸入到基極的微小電流將被放大,產生較大的集電極-發射極電流。當NPN型晶體管基極電壓高于發射極電壓,并且集電極電壓高于基極電壓,則晶體管處于正向放大狀態。在這一狀態中,晶體管集電極和發射極之間存在電流。被放大的電流,是發射極注入到基極區域的電子(在基極區域為少數載流子),在電場的推動下漂移到集電極的結果。由于電子遷移率比空穴遷移率更高,因此現在使用的大多數雙極性晶體管為NPN型。

    ??? NPN型雙極性晶體管的電學符號如右圖,基極和發射極之間的箭頭指向發射極。

    ??? PNP型

    ??? 雙極性晶體管的另一種類型為PNP型,由兩層P型摻雜區域和介于二者之間的一層N型摻雜半導體組成。流經基極的微小電流可以在發射極端得到放大。也就是說,當PNP型晶體管的基極電壓低于發射極時,集電極電壓低于基極,晶體管處于正向放大區。

    ??? 在雙極性晶體管電學符號中,基極和發射極之間的箭頭指向電流的方向,這里的電流為電子流動的反方向。與NPN型相反,PNP型晶體管的箭頭從發射極指向基極。[2]

    ??? 異質結雙極性晶體管

    ??? 異質結雙極性晶體管(heterojunction bipolar transistor)是一種改良的雙極性晶體管,它具有高速工作的能力。研究發現,這種晶體管可以處理頻率高達幾百GHz的超高頻信號,因此它適用于射頻功率放大、激光驅動等對工作速度要求苛刻的應用。

    ??? 異質結是PN結的一種,這種結的兩端由不同的半導體材料制成。在這種雙極性晶體管中,發射結通常采用異質結結構,即發射極區域采用寬禁帶材料,基極區域采用窄禁帶材料。常見的異質結用砷化鎵(GaAs)制造基極區域,用鋁-鎵-砷固溶體(AlxGa1-xAs)制造發射極區域。采用這樣的異質結,雙極性晶體管的注入效率可以得到提升,電流增益也可以提高幾個數量級。

    ??? 采用異質結的雙極性晶體管基極區域的摻雜濃度可以大幅提升,這樣就可以降低基極電極的電阻,并有利于降低基極區域的寬度。在傳統的雙極性晶體管,即同質結晶體管中,發射極到基極的載流子注入效率主要是由發射極和基極的摻雜比例決定的。在這種情況下,為了得到較高的注入效率,必須對基極區域進行輕摻雜,這樣就不可避免地使增大了基極電阻。

    ??? 如左邊的示意圖中,代表空穴從基極區域到達發射極區域跨越的勢差;而則代表電子從發射極區域到達基極區域跨越的勢差。由于發射結具有異質結的結構,可以使,從而提高了發射極的注入效率。在基極區域里,半導體材料的組分分布不均,造成緩變的基極區域禁帶寬度,其梯度為以表示。這一緩變禁帶寬度,可以為少數載流子提供一個內在電場,使它們加速通過基極區域。這個漂移運動將與擴散運動產生協同作用,減少電子通過基極區域的渡越時間,從而改善雙極性晶體管的高頻性能。[3]

    ??? 盡管有許多不同的半導體可用來構成異質結晶體管,硅-鍺異質結晶體管和鋁-砷化鎵異質結晶體管更常用。制造異質結晶體管的工藝為晶體外延技術,例如金屬有機物氣相外延(Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD)和分子束外延。

分類

  • ??? 眾所周知,按極性可以分為PNP和NPN兩種,按材料一般可以分為硅管和鍺管,按額定功率分為大功率

    ??? 和小功率,按封裝可以分為貼片和插件,等等。

    ??? 車載電子系統中,常用的是小功率硅管,為減小體積多用貼片封裝。

應用

  • ??? 集電極-發射極電流可以視為受基極-發射極電流的控制,這相當于將雙極性晶體管視為一種“電流控制”的器件。還可以將它看作是受發射結電壓的控制,即將它看做一種“電壓控制”的器件。事實上,這兩種思考方式可以通過基極-發射極結上的電流電壓關系相互關聯起來,而這種關系可以用PN結的電流-電壓曲線表示。

    ??? 人們曾經建立過多種數學模型,用來描述雙極性晶體管的具體工作原理。例如,古梅爾–潘模型(Gummel–Poon Model)提出,可以利用電荷分布來精確地解釋晶體管的行為。上述有關電荷控制的觀點可以處理有關光電二極管的問題,這種二極管基極區域的少數載流子是通過吸收光子(即上一段提到的光注入)產生的。電荷控制模型還能處理有關關斷、恢復時間等動態問題,這些問題都與基極區域電子和空穴的復合密切相關。然而,由于基極電荷并不能輕松地在基極引腳處觀察,因此,在實際的電路設計、分析中,電流、電壓控制的觀點應用更為普遍。

    ??? 在模擬電路設計中,有時會采用電流控制的觀點,這是因為在一定范圍內,雙極性晶體管具有近似線性的特征。在這個范圍(下文將提到,這個范圍叫做“放大區”)內,集電極電流近似等于基極電流的倍,這對人們分析問題、控制電路功能有極大的便利。在設計有的基本電路時,人們假定發射極-基極電壓為近似恒定值(如),這時集電極電流近似等于基極電流的若干倍,晶體管起電流放大作用。

    ??? 然而,在真實的情況中,雙極性晶體管是一種較為復雜的非線性器件,如果偏置電壓分配不當,將使其輸出信號失真。此外,即使工作在特定范圍,其電流放大倍數也受到包括溫度在內的因素影響。為了設計出精確、可靠的雙極性晶體管電路,必須采用電壓控制的觀點(例如后文將講述的艾伯斯-莫爾模型)。電壓控制模型引入了一個指數函數來描述電壓、電流關系,在一定范圍內,函數關系為近似線性,可以將晶體管視為一個電導元件。這樣,諸如差動放大器等電路的設計就簡化為了線性問題,所以近似的電壓控制觀點也常被選用。對于跨導線性(translinear)電路,研究其電流-電壓曲線對于分析器件工作十分關鍵,因此通常將它視為一個跨導與集電極電流成比例的電壓控制模型。

    ??? 晶體管級別的電路設計主要使用SPICE或其他類似的模擬電路仿真器進行,因此對于設計者來說,模型的復雜程度并不會帶來太大的問題。但在以人工分析模擬電路的問題時,并不總能像處理經典的電路分析那樣采取精確計算的方法,因而采用近似的方法是十分必要的。

    ??? 功率參數

    ??? 雙極性晶體管的最大集電極耗散功率是器件在一定溫度與散熱條件下能正常工作的最大功率。在條件相同的情況下,如果實際功率大于這一數值,晶體管的溫度將超出最大許可值,使器件性能下降,甚至造成物理損壞。

    ??? 電流和電壓

    ??? 當集電極電流增大到一定數值后,雖然不會造成雙極性晶體管的損壞,但是電流增益會明顯降低。為了使晶體管按照設計正常工作,需要限制集電極電流的數值。除此之外,由于雙極性晶體管具有兩個PN結,因此它們的反向偏置電壓不能夠過大,防止PN結反向擊穿。雙極性晶體管的數據手冊都會詳細地列出這些參數。

    ??? 當功率雙極性晶體管集電極的反向偏置電壓超過一定數值,并且流經晶體管的電流超出在一定允許范圍之內,使得晶體管功率大于二次擊穿臨界功率就會產生一種被稱為“二次擊穿”的危險現象。在這種情況里,超出設計范圍的電流將造成器件內部不同區域的局部溫度不均衡,部分區域的溫度高于其他區域。因為摻雜的硅具有負的溫度系數(temperature coefficient),所以當它處于較高的溫度時,其導電性能更強。這樣,較熱部分就能傳導更多的電流,這部分電流會產生額外的熱能,造成局部溫度將超過正常值,以致于器件不能正常工作。二次擊穿是一種熱失控,一旦溫度升高,電導率將進一步提升,從而造成惡性循環,最終嚴重損毀晶體管的結構。整個二次擊穿過程只需要毫秒或微秒量級的時間就可以完成。

    ??? 如果雙極性晶體管發射結提供超出允許范圍的反向偏置,并不對流經晶體管的電流進行限制,發射結將發生雪崩擊穿,也會造成器件損壞。

    ??? 溫度漂移

    ??? 作為一種模擬的器件,雙極性晶體管的所有參數都會不同程度地受溫度影響,特別是電流增益。據研究,溫度每升高1攝氏度,大約會增加0.5%到1%。

    ??? 抗輻射能力

    ??? 雙極性晶體管對電離輻射較為敏感。如果將晶體管置于電離輻射的環境中,器件將因輻射而受到損害。產生損害是因為輻射將在基極區域產生缺陷,這種缺陷將在能帶中形成復合中心(recombination centers)。這將造成器件中起作用的少數載流子壽命變短,進而使晶體管的性能逐漸降低。NPN型雙極性晶體管由于在輻射環境中,載流子的有效復合面積更大,受到的負面影響比PNP型晶體管更顯著。在一些特殊的應用場合,如核反應堆或航天器中的電子控制系統中,必須采用特殊的手段緩解電離輻射帶來的負面效應。

工作區

  • 電壓
    基極-發射極結
    偏置(NPN型)
    基極-集電極結
    偏置(NPN型)
    工作模式(NPN型)
    E
    正向
    反向
    正向-放大
    E C
    正向
    正向
    飽和
    E > B
    反向
    反向
    截止
    E > B > C
    反向
    正向
    反向-放大
    電壓
    基極-發射極結
    偏置(PNP型)
    基極-集電極結
    偏置(PNP型)
    工作模式(PNP型)
    E
    反向
    正向
    反向-放大
    E C
    反向
    反向
    截止
    E > B
    正向
    正向
    飽和
    E > B > C
    正向
    反向
    正向-放大

    ??? 可以根據晶體管三個終端的的偏置狀態,可以定義雙極性晶體管幾個不同的工作區。在NPN型半導體中(注意:PNP型晶體管和NPN型晶體管的電壓描述恰好相反),按發射結、集電結的偏置情況,工作區可以分為為

    ??? 正向放大區(或簡稱放大區):當發射結正向偏置,集電結反向偏置時,晶體管工作在放大區。大多數雙極性晶體管的設計目標,是為了在正向放大區得到最大的共射極電流增益bf。晶體管工作在這一區域時,集電極-發射極電流與基極電流近似成線性關系。由于電流增益的緣故,當基極電流發生微小的擾動時,集電極-發射極電流將產生較為顯著變化。

    ??? 反向放大區:如果把上述處于正向放大區晶體管發射極、集電極的偏置電壓互換,則雙極性晶體管將工作在反向放大區。在這種工作模式中,發射極和集電極區域扮演的角色與正向放大區里正好相反,但是由于晶體管集電極的摻雜濃度低于發射極,反向放大區產生的效果與正向放大區并不相同。大多數雙極性晶體管的設計目標是盡可能得到最大正向放大電流增益,因此,反向放大區中的電流增益會比正向放大區中小一些(在常規的鍺晶體管中大約是2-3倍)。實際上,這種工作模式幾乎不被采用,但是為了防止錯誤接法造成器件損壞或其他危險,設計時必須予以考慮。此外,有些類型的雙極性邏輯器件也會考慮反向放大區的情況。

    ??? 飽和區:當雙極性晶體管中兩個PN結均處于正向偏置時,它將處于飽和區,這時,晶體管發射極到集電極的電流達到最大值,即使增加基極電流,輸出的電流也不會再增加。飽和區可以在邏輯器件中用來表示高電平。

    ??? 截止區:如果雙極性晶體管兩個PN結的偏置情況與飽和區恰好相反,那么晶體管將處于截止區。在這種工作模式下,輸出電流非常小(小功率的硅晶體管小于1微安,鍺晶體管小于即使微安),在數字邏輯中可以用來表示低電平。

    ??? 雪崩擊穿:當施加在集電結上的反向偏置將超過集電結所能承受范圍時,這個PN結將被擊穿,若電流足夠大會造成器件損壞。

    ??? 此外,分析、設計雙極性晶體管電路時,還應當注意不能超過雙極性晶體管的最大集電極耗散功率Pcm。如果晶體管的工作功率小于這一數值,這些工作狀態的集合稱為安全工作區。如果晶體管的工作功率超過這個限度,將造成器件溫度超過正常范圍,器件的性能將產生較大的變化,甚至造成損壞。硅晶體管允許的結溫度介于150攝氏度和200攝氏度之間。可以通過降低內熱阻、使用散熱片和引入風冷、水冷、油冷等措施來提高最大允許耗散功率。

    ??? 實際上,上述工作區之間并沒有絕對的界限,在較小電壓變化(小于幾百毫伏)范圍內,上面提到的不同區域之間可能有一定的重疊。

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