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双极性晶体管

双极性晶体管

成长操纵

  •     1947年12月,贝尔尝试室的约翰·巴丁、沃尔特·豪泽·布喇顿在威廉·肖克利的指点下配合发

        了然点打仗情势的双极性晶体管。1948年,肖克利发了然接纳结型机关的双极性晶体管。在厥后的约莫三十年时候内,这类器件是建造分立元件电路和集成电路的不二挑选。

        初期的晶体管是由锗建造的。在1950年月和1960年月,锗晶体管的操纵多于硅晶体管。相对硅晶体管,锗晶体管的停止电压更小,凡是约0.2伏特,这使得锗晶体管合用于某些操纵场所。在晶体管的初期汗青中,曾有多种双极性晶体管的建造体例被开辟出来。

        锗晶体管的一个首要毛病谬误是它轻易发生热失控。因为锗的禁带宽度较窄,并且要不变任务则请求的温度相对硅半导体更严,是以大大都古代的双极性晶体管是由硅建造的。接纳硅资料的别的一个首要缘由是硅在地球上的储量比锗丰硕很多(仅次于氧)。

        厥后,人们也起头操纵以砷化镓为代表的化合物来建造半导体晶体管。砷化镓的电子迁徙率为硅的5倍,用它建造的晶体管能够或许或许或许到达较高的任务频次。别的,砷化镓热导率较低,有益于低温下停止的加工。化合物晶体管凡是能够或许或许或许操纵于高速器件。

        双极性晶体管能够或许或许或许供给旌旗灯号缩小,它在功率节制、摹拟旌旗灯号处置等范畴有所操纵。别的,因为基极-发射极偏置电压与温度、电流的干系已知,双极性晶体管还能够或许或许或许被用来丈量温度。按照基极-发射极电压与基极-发射极和集电极-发射极电流的对数干系,双极性晶体管也能被用来计较对数或求天然对数的幂指数。

        跟着人们对动力题方针熟悉不时加深,场效应管(如CMOS)手艺凭仗更低的功耗,在数字集成电路中逐步成为支流,双极性晶体管在集成电路中的操纵由此逐步变少。可是该当看到,即便在古代的集成电路中,双极性晶体管仍然是一种首要的器件,市场上仍有大批品种齐备、价钱昂贵的晶体管产物可供挑选。与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET,它是场效应管的一种,别的一种为结型场效应管)比拟,双极性晶体管能供给较高的跨导和输入电阻,并具备高速、经久的特点,在功率节制方面才能凸起。是以,双极性晶体管照旧是组成摹拟电路,出格是甚高频操纵电路(如无线通讯体系中的射频电路)的首要配件。双极性晶体管能够或许或许或许经由进程BiCMOS手艺与和MOSFET建造在一块集成电路上,如许便能够或许或许或许充实操纵两者的长处(如双极性晶体管的电流缩小才能和场效应管的低功耗特色)

根基道理

  •     NPN型双极性晶体管能够或许或许或许视为共用阳极的两个二极管接合在一路。在双极性晶体管的普通任务状况下,基极-发射极结(称这个PN结为“发射结”)处于正向偏置状况,而基极-集电极(称这个PN结为“集电结”)则处于反向偏置状况。在不外加电压时,发射结N区的电子(这一地区的大都载流子)浓度大于P区的电子浓度,部分电子将分散到P区。同理,P区的部分空穴也将分散到N区。如许,发射结大将组成一个空间电荷区(同样成为耗尽层),发生一个内涵的电场,其标的方针由N区指向P区,这个电场将障碍上述分散进程的进一步发生,从而告竣静态平衡。这时候候候,若是把一个正向电压施加在发射结上,上述载流子分散勾当和耗尽层中内涵电场之间的静态平衡将被突破,如许会使热激起电子注入基极地区。在NPN型晶体管里,基区为P型搀杂,这里空穴为大都搀杂物资,是以在这地区电子被称为“大都载流子”。

        从发射极被注入到基极地区的电子,一方面与这里的大都载流子空穴发生复合,别的一方面,因为基极地区搀杂水平低、物理尺寸薄,并且集电结处于反向偏置状况,大部分电子将经由进程漂移勾当到达集电极地区,组成集电极电流。为了尽能够减缓电子在到达集电结之前发生的复合,晶体管的基极地区必须建造得充足薄,乃至于载流子分散所需的时候短于半导体大都载流子的寿命,同时,基极的厚度必须远小于电子的分散长度(diffusion length,参见菲克定律)。在古代的双极性晶体管中,基极地区厚度的典范值为很是之几微米。须要注重的是,集电极、发射极固然都是N型搀杂,可是两者搀杂水平、物理属性并不不异,是以必须将双极性晶体管与两个相反标的方针二极管串连在一路的情势辨别开来。

阐发体例

  •     从基极地区的大都载流子浓度动身,能够或许或许或许诠释集电极的载流子活动。若是双极性晶体管为小注入(low level injection),即经由进程某些物理进程(如光注入或电注入)引入的非平衡载流子(excess carrier,或称“多余载流子”)比热平衡时的大都载流子少很多,双极性分散(即非平衡大都载流子和大都载流子以不异速率活动)速率现实上由非平衡大都载流子决议。别的,双极性晶体管处置高频旌旗灯号的才能还受限于基极地区载流子的渡越时候。

布局

  •     一个双极性晶体管由三个差别的搀杂半导体地区组成,它们别离是发射极地区、基极地区和集电极地区。这些地区在NPN型晶体管中别离是N型、P型和N型半导体,而在PNP型晶体管中则别离是P型、N型和P型半导体。每个半导体地区都有一个引脚端接出,凡是用字母E、B和C来表现发射极(Emitter)、基极(Base)和集电极(Collector)。

        基极的物理地位在发射极和集电极之间,它由轻搀杂、高电阻率的资料制成。集电极包围着基极地区,因为集电结反向偏置,电子很难从这里被注入到基极地区,如许就构成共基极电流增益约即是1,而共射极电流增益获得较大的数值。从右侧这个典范NPN型双极性晶体管的截面简图能够或许或许或许看出,集电结的面积大于发射结。别的,发射极具备相称高的搀杂浓度。

        在凡是环境下,双极性晶体管的几个地区在物感性子、多少尺寸上并毛病称。假设毗连在电路中的晶体管位于正向缩小区,若是此时将晶体管集电极和发射极在电路中的毗连交换,将使晶体管分开正向缩小区,进入反向任务区。晶体管的外部布局决议了它合适在正向缩小区任务,以是反向任务区的共基极电流增益和共射极电流增益比晶体管位于正向缩小区时小很多。这类功效上的毛病称,底子上是缘于发射极和集电极的搀杂水平差别。是以,在NPN型晶体管中,固然集电极和发射极都为N型搀杂,可是两者的电学性子和功效完整不能交换。发射极地区的搀杂水平最高,集电极地区次之,基极地区搀杂水平最低。别的,三个地区的物理规范也有所差别,此中基极地区很薄,并且集电极面积大于发射极面积。因为双极性晶体管具备如许的物资布局,是以能够或许或许或许为集电结供给一个反向偏置,不过如许做的前提是这个反向偏置不能过大,乃至于晶体管破坏。对发射极停止重搀杂的方针是为了增添发射极电子注入到基极地区的效力,从而实现尽能够高的电流增益。

        在双极性晶体管的共射极接法里,施加于基极、发射极两头电压的细小变更,城市构成发射极和集电极之间的电流发生光鲜较着变更。操纵这一性子,能够或许或许或许缩小输入的电流或电压。把双极性晶体管的基极当作输入端,集电极当作输入端,能够或许或许或许操纵戴维南定理阐发这个二端口收集。操纵等效的道理,能够或许或许或许将双极性晶体管当作是电压节制的电流源,也能够或许或许或许将其视为电流节制的电压源。别的,从二端口收集的左侧看出来,基极处的输入阻抗减小到基极电阻的,如许就降落了对前一级电路的负载才能的请求。[1]

        NPN型

        NPN型晶体管是两种范例双极性晶体管的此中一种,由两层N型搀杂地区和介于两者之间的一层P型搀杂半导体(基极)组成。输入到基极的细小电流将被缩小,发生较大的集电极-发射极电流。当NPN型晶体管基极电压高于发射极电压,并且集电极电压高于基极电压,则晶体管处于正向缩小状况。在这一状况中,晶体管集电极和发射极之间存在电流。被缩小的电流,是发射极注入到基极地区的电子(在基极地区为大都载流子),在电场的鞭策下漂移到集电极的成果。因为电子迁徙率比空穴迁徙率更高,是以此刻操纵的大大都双极性晶体管为NPN型。

        NPN型双极性晶体管的电学标记如右图,基极和发射极之间的箭头指向发射极。

        PNP型

        双极性晶体管的别的一种范例为PNP型,由两层P型搀杂地区和介于两者之间的一层N型搀杂半导体组成。流经基极的细小电流能够或许或许或许在发射极度获得缩小。也便是说,当PNP型晶体管的基极电抬高于发射极时,集电极电抬高于基极,晶体管处于正向缩小区。

        在双极性晶体管电学标记中,基极和发射极之间的箭头指向电流的标的方针,这里的电流为电子活动的反标的方针。与NPN型相反,PNP型晶体管的箭头从发射极指向基极。[2]

        异质结双极性晶体管

        异质结双极性晶体管(heterojunction bipolar transistor)是一种改进的双极性晶体管,它具备高速任务的才能。研讨发明,这类晶体管能够或许或许或许处置频次高达几百GHz的超高频旌旗灯号,是以它合用于射频功率缩小、激光驱动等对任务速率请求刻薄的操纵。

        异质结是PN结的一种,这类结的两头由差别的半导体资料制成。在这类双极性晶体管中,发射结凡是接纳异质结布局,即发射极地区接纳宽禁带资料,基极地区接纳窄禁带资料。罕见的异质结用砷化镓(GaAs)建造基极地区,用铝-镓-砷固溶体(AlxGa1-xAs)建造发射极地区。接纳如许的异质结,双极性晶体管的注入效力能够或许或许或许获得晋升,电流增益也能够或许或许或许进步几个数目级。

        接纳异质结的双极性晶体管基极地区的搀杂浓度能够或许或许或许大幅晋升,如许便能够或许或许或许降落基极电极的电阻,并有益于降落基极地区的宽度。在传统的双极性晶体管,即同质结晶体管中,发射极到基极的载流子注入效力首要是由发射极和基极的搀杂比例决议的。在这类环境下,为了获得较高的注入效力,必须对基极地区停止轻搀杂,如许就不可避免地使增大了基极电阻。

        如左侧的表现图中,代表空穴从基极地区到达发射极地区逾越的势差;而则代表电子从发射极地区到达基极地区逾越的势差。因为发射结具备异质结的布局,能够或许或许或许使,从而进步了发射极的注入效力。在基极地区里,半导体资料的组分散布不均,构成缓变的基极地区禁带宽度,其梯度为以表现。这一缓变禁带宽度,能够或许或许或许为大都载流子供给一个内涵电场,使它们加快经由进程基极地区。这个漂移勾当将与分散勾当发生协同感化,削减电子经由进程基极地区的渡越时候,从而改良双极性晶体管的高频机能。[3]

        固然有很多差别的半导体可用来组成异质结晶体管,硅-锗异质结晶体管和铝-砷化镓异质结晶体管更经常利用。建造异质结晶体管的工艺为晶体内涵手艺,比方金属无机物气相内涵(Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD)和份子束内涵。

分类

  •     尽人皆知,按极机能够或许或许或许分为PNP和NPN两种,按资料普通能够或许或许或许分为硅管和锗管,按额定功率分为大功率

        和小功率,按封装能够或许或许或许分为贴片和插件,等等。

        车载电子体系中,经常利用的是小功率硅管,为减小体积多用贴片封装。

操纵

  •     集电极-发射极电流能够或许或许或许视为受基极-发射极电流的节制,这相称于将双极性晶体管视为一种“电流节制”的器件。还能够或许或许或许将它看作是受发射结电压的节制,行将它看作一种“电压节制”的器件。现实上,这两种思虑体例能够或许或许或许经由进程基极-发射极结上的电流电压干系彼此联系干系起来,而这类干系能够或许或许或许用PN结的电流-电压曲线表现。

        人们曾成立过量种数学模子,用来描写双极性晶体管的具体任务道理。比方,古梅尔–潘模子(Gummel–Poon Model)提出,能够或许或许或许操纵电荷散布来切确地诠释晶体管的行动。上述有关电荷节制的概念能够或许或许或许处置有关光电二极管的题目,这类二极管基极地区的大都载流子是经由进程接收光子(即上一段提到的光注入)发生的。电荷节制模子还能处置有关关断、规复时候等静态题目,这些题目都与基极地区电子和空穴的复合紧密亲密相干。可是,因为基极电荷并不能轻松地在基极引脚处察看,是以,在现实的电路设想、阐发中,电流、电压节制的概念操纵更加遍及。

        在摹拟电路设想中,偶然会接纳电流节制的概念,这是因为在必然规模内,双极性晶体管具备类似线性的特点。在这个规模(下文将提到,这个规模叫做“缩小区”)内,集电极电流类似即是基极电流的倍,这对人们阐发题目、节制电路功效有极大的方便。在设想有的根基电路时,人们假设发射极-基极电压为类似恒定值(如),这时候候候集电极电流类似即是基极电流的多少倍,晶体管起电流缩小感化。

        可是,在实在的环境中,双极性晶体管是一种较为庞杂的非线性器件,若是偏置电压分派不妥,将使其输入旌旗灯号失真。别的,即便任务在特定规模,其电流缩小倍数也遭到包含温度在内的身分影响。为了设想出切确、靠得住的双极性晶体管电路,必须接纳电压节制的概念(比方后文将报告的艾伯斯-莫尔模子)。电压节制模子引入了一个指数函数来描写电压、电流干系,在必然规模内,函数干系为类似线性,能够或许或许或许将晶体管视为一个电导元件。如许,诸如差动缩小器等电路的设想就简化为了线性题目,以是类似的电压节制概念也常当选用。对跨导线性(translinear)电路,研讨其电流-电压曲线对阐发器件任务很是关头,是以凡是将它视为一个跨导与集电极电流成比例的电压节制模子。

        晶体管级别的电路设想首要操纵SPICE或其余类似的摹拟电路仿真器停止,是以对设想者来讲,模子的庞杂水平并不会带来太大的题目。但在以野生阐发摹拟电路的题目时,并不总能像处置典范的电路阐发那样接纳切确计较的体例,是以接纳类似的体例是很是须要的。

        功率参数

        双极性晶体管的最大集电极耗散功率是器件在必然温度与散热前提下能普通任务的最大功率。在前提不异的环境下,若是现实功率大于这一数值,晶体管的温度将超越最大许可值,使器件机能降落,乃至构成物理破坏。

        电流和电压

        当集电极电流增大到必然数值后,固然不会构成双极性晶体管的破坏,可是电流增益会较着降落。为了使晶体管按照设想普通任务,须要限定集电极电流的数值。除此以外,因为双极性晶体管具备两个PN结,是以它们的反向偏置电压不能够或许或许或许过大,避免PN结反向击穿。双极性晶体管的数据手册城市具体地列出这些参数。

        当功率双极性晶体管集电极的反向偏置电压跨越必然数值,并且流经晶体管的电流超越在必然许可规模以内,使得晶体管功率大于二次击穿临界功率就会发生一种被称为“二次击穿”的风险景象。在这类环境里,超越设想规模的电流将构成器件外部差别地区的部分温度不平衡,部分地区的温度高于其余地区。因为搀杂的硅具备负的温度系数(temperature coefficient),以是当它处于较高的温度时,其导电机能更强。如许,较热部分便能够传导更多的电流,这部分电流会发生额定的热能,构成部分温度将跨越普通值,乃至于器件不能普通任务。二次击穿是一种热失控,一旦温度下降,电导率将进一步晋升,从而构成恶性轮回,终究严峻损毁晶体管的布局。全部二次击穿进程只须要毫秒或微秒量级的时候便能够或许或许或许实现。

        若是双极性晶体管发射结供给超越许可规模的反向偏置,并毛病流经晶体管的电流停止限定,发射结将发生雪崩击穿,也会构成器件破坏。

        温度漂移

        作为一种摹拟的器件,双极性晶体管的一切参数城市差别水平地受温度影响,出格是电流增益。据研讨,温度每下降1摄氏度,约莫会增添0.5%到1%。

        抗辐射才能

        双极性晶体管对电离辐射较为敏感。若是将晶体管置于电离辐射的环境中,器件将因辐射而遭到侵害。发生侵害是因为辐射将在基极地区发生缺点,这类缺点将在能带中组成复合中间(recombination centers)。这将构成器件中起感化的大都载流子寿命变短,进而使晶体管的机能逐步降落。NPN型双极性晶体管因为在辐射环境中,载流子的有用复合面积更大,遭到的负面影响比PNP型晶体管更光鲜较着。在一些出格的操纵场所,如核反映堆或航天器中的电子节制体系中,必须接纳出格的手腕减缓电离辐射带来的负面效应。

任务区

  • 电压
    基极-发射极结
    偏置(NPN型)
    基极-集电极结
    偏置(NPN型)
    任务形式(NPN型)
    E
    正向
    反向
    正向-缩小
    E C
    正向
    正向
    饱和
    E > B
    反向
    反向
    停止
    E > B > C
    反向
    正向
    反向-缩小
    电压
    基极-发射极结
    偏置(PNP型)
    基极-集电极结
    偏置(PNP型)
    任务形式(PNP型)
    E
    反向
    正向
    反向-缩小
    E C
    反向
    反向
    停止
    E > B
    正向
    正向
    饱和
    E > B > C
    正向
    反向
    正向-缩小

        能够或许或许或许按照晶体管三个终真个的偏置状况,能够或许或许或许界说双极性晶体管几个差别的任务区。在NPN型半导体中(注重:PNP型晶体管和NPN型晶体管的电压描写刚好相反),按发射结、集电结的偏置环境,任务区能够或许或许或许分为为

        正向缩小区(或简称缩小区):当发射结正向偏置,集电结反向偏置时,晶体管任务在缩小区。大大都双极性晶体管的设想方针,是为了在正向缩小区获得最大的共射极电流增益bf。晶体管任务在这一地区时,集电极-发射极电流与基极电流类似成线性干系。因为电流增益的原因,当基极电流发生细小的扰动时,集电极-发射极电流将发生较为光鲜较着变更。

        反向缩小区:若是把上述处于正向缩小区晶体管发射极、集电极的偏置电压交换,则双极性晶体管将任务在反向缩小区。在这类任务形式中,发射极和集电极地区表演的脚色与正向缩小区里刚好相反,可是因为晶体管集电极的搀杂浓度低于发射极,反向缩小区发生的结果与正向缩小区并不不异。大大都双极性晶体管的设想方针是尽能够获得最大正向缩小电流增益,是以,反向缩小区中的电流增益会比正向缩小区中小一些(在惯例的锗晶体管中约莫是2-3倍)。现实上,这类任务形式几近不被接纳,可是为了避免毛病接法构成器件破坏或其余风险,设想时必须予以斟酌。别的,有些范例的双极性逻辑器件也会斟酌反向缩小区的环境。

        饱和区:当双极性晶体管中两个PN结均处于正向偏置时,它将处于饱和区,这时候候候,晶体管发射极到集电极的电流到达最大值,即便增添基极电流,输入的电流也不会再增添。饱和区能够或许或许或许在逻辑器件顶用来表现高电平。

        停止区:若是双极性晶体管两个PN结的偏置环境与饱和区刚好相反,那末晶体管将处于停止区。在这类任务形式下,输入电流很是小(小功率的硅晶体管小于1微安,锗晶体管小于即便微安),在数字逻辑中能够或许或许或许用来表现低电平。

        雪崩击穿:当施加在集电结上的反向偏置将跨越集电结所能蒙受规模时,这个PN结将被击穿,若电流充足大会构成器件破坏。

        别的,阐发、设想双极性晶体管电路时,还该当注重不能跨越双极性晶体管的最大集电极耗散功率Pcm。若是晶体管的任务功率小于这一数值,这些任务状况的调集称为宁静任务区。若是晶体管的任务功率跨越这个限制,将构成器件温度跨越普通规模,器件的机能将发生较大的变更,乃至构成破坏。硅晶体管许可的结温度介于150摄氏度和200摄氏度之间。能够或许或许或许经由进程降落内热阻、操纵散热片和引入风冷、水冷、油冷等办法来进步最大许可耗散功率。

        现实上,上述任务区之间并不相对的边界,在较小电压变更(小于几百毫伏)规模内,下面提到的差别地区之间能够有必然的堆叠。

发问者:lulijian 地址:- 阅读次数:14619 发问时候:03-21 21:57
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