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半导体|半导体三极管的结构

半导体|半导体三极管的结构

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半导体|半导体三极管的结构

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BJT通过一定的工艺 ， 将两个PN结结合在一起的器件 ， 由于PN结之间的相互影响 ，使BJT表现出不同于单个 PN结的特性而具有电流放大 ， 从而使PN结的应用发生了质的飞跃 。 本节将围绕BJT为什么具有电流放大作用个核心问题 ， 讨论BJT的结构、内部载流子的运动过程以及它的特性曲线和数 。  一、BJT的结构简介

BJT又常称为晶体管 ， 它的种类很多 。 按照频率分 ， 有高频管、低频管； 按照功率分 ， 有小、中、大功率管；按照半导体材料分 ， 有硅管、锗管；根据结构不同 ，又可分成NPN型和PNP型等等 。 但从它们的外形来看 ， BJT都有三个电极 ， 如图3.1所示 。


【半导体|半导体三极管的结构】
图3.1是NPN型BJT的示意图 。它是由两个 PN结的三层半导体制成的 。 中间是一块很薄的P型半导体(几微米~几十微米) ， 两边各为一块N型半导体 。 从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极 ， 它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c ， 对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区 。 虽然发射区和集电区都是N型半导体 ， 但是发射区比集电区掺的杂质多 。 在几何尺寸上 ，集电区的面积比发射区的大 ， 这从图3.1也可看到 ， 因此它们并不是对称的 。 二、BJT的电流分配与放大作用1、BJT内部载流子的传输过程BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏 。 在外加电压的作用下 ，BJT内部载流子的传输过程为：（1）发射极注入电子由于发射结外加正向电压VEE ， 因此发射结的空间电荷区变窄 ， 这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区 ，形成发射极电流IE ， 其方向与电子流动方向相反 ， 如图3.2所示 。
（2）电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后 ，就在基区靠近发射结的边界积累起来 ，右基区中形成了一定的浓度梯度 ， 靠近发射结附近浓度最高 ， 离发射结越远浓度越小 。 因此 ，电子就要向集电结的方向扩散 ， 在扩散过程中又会与基区中的空穴复合 ， 同时接在基区的电源VEE的正端则不断从基区拉走电子 ，好像不断供给基区空穴 。 电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等 ，使基区的空穴浓度基本维持不变 。 这样就形成了基极电流IB ，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流 。也就是说 ，注基区的电子有一部分未到达集电结 ，如复合越多 ，则到达集电结的电子越少 ，对放大是不利的 。所以为了减小复合 ， 常把基区做得很薄 (几微米) ， 并使基区掺入杂质的浓度很低 ， 因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少 ，大部分都能能到达集电结 。

（3）集电区收集电子集电结外加反向电压 ， 其集电结的内电场非常强 ， 且电场方向从C区指向B区 。 使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结 ， 但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力 ，使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集 ， 形成集电极电流IC 。与此同时 ， 集电区的空穴也会在该电场的作用下 ， 漂移到基区 ，形成很小的反向饱和电流ICB0。 2、电流分配关系与正向偏置的二极管电流类似 ， 发射极电流iE与vBE成指数关系：集电极电流iC是iE的一部分 ， 即：式中β称为BJT的电流放大系数

三、BJT的特性曲线

１.共射极电路的特性曲线

（1）输入特性

VCE=0V时 ， b、e间加正向电压 ， 这时发射结和集电结均为正偏 ， 相当于两个二极管正向并联的特性 。

VCE≥1V时 ， 这时集电结反偏 ， 从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到集电极 ， 只有小部分与空穴复合形成IB 。vCE>1V以后 ， IC增加很少 ， 因此IB的变化量也很少 ， 可以忽略vCE对IB的影响 ， 即输入特性曲线都重合 。



注意:发射结开始导通的电压vBE：0.6V~0.7V(硅管) ， 0.1~0.3V(锗管)（2）输出特性曲线对于一确定的iB值 ， iC随VCE的变化形成一条曲线 ， 给出多个不同的iB值 ， 就产生一个曲线族 。 如图3.6所示 。 ① IB = 0V ，IC=ICEO BJT截止 ， 无放大作用 ， 因此对应IB=0的输出特性曲线以下的区域称为截止区如图3.6所示 。 ② IB﹥0，VCE<1V， iC随IB的变化不遵循的规律 ， 而且iC随VCE的变化也是非线性的 ， 所以该区域称为饱和区 。 ③在这个区域中IC几乎不随VCE变化 ， 对应于每一个IB值的特性曲线都几乎与水平轴平行 ， 因此该区域称为线性区或放大区 。 四、BJT的主要参数BJT的参数是用来表征管子性能优劣相适应范围的 ， 它是选用BJT的依据 。 了解这些参数的意义 ， 对于合理使用和充分利用BJT达到设计电路的经济性和可靠性是十分必要的 。 1.流放大系数BJT在共射极接法时的电流放大系数 ， 根据工作状态的不同 ， 在直流和交流两种情况下分别用符号 和表示 。 其中上式表明:BJT集电极的直流电流 IC与基极的直流电流IB的比值 ，就是BJT接成共射极电路时的直流电流放大系数 ，有时用hFE来代表。 但是 ， BJT常常工作在有信号输人的情况下 ， 这时基极电流产生一个变化量 ， 相应的集电极电流变化量为 ， 则与之比称为BJT的交流电流放大系数 ， 记作即2.极间反向电流（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO 。 表示发射极开路 ， c、b间加上一定的反向电压时的电流 。 （2）集电极-发射极反向饱和电流（穿透电流）ICEO 。 表示基极开路 ， c、e间加上一定的反向电压时的集电极电流 。 3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM 。 表示BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流 。 当电流超过ICM时 ， 三极管的性能将显著下降 ， 甚至有烧坏管子的可能 。 （2）集电极最大允许功耗PCM 。 表示BJT的集电结允许损耗功率的最大值 。 超过此值时 ， 三极管的性能将变坏或烧毁 。 （3）反向击穿电压V（BR）CEO 。表示基极开路 ， c、e间的反向击穿电压 。 4、晶体管的选择（1）依使用条件选PCM在安全区工作的管子 ，并给予适当的散热要求 。 （2）要注意工作时反向击穿电压，特别是VCE不应超过 V（BR）CEO 。 （3）要注意工作时的最大集电极电流IC不应超过ICM 。 （4）要依使用要求：是小功率还是大功率 ，低频、高频还是超高频 ， 工作电源的极性 ， β值大小要求 。


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