可以利用电荷分布来精确地解释晶体管的行为
发布时间:2018-08-21 09:36

  

  双极性晶体管(英语: bipolar transistor),全称双极性结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT),俗称三极管,是一种具有三个终端的电子器件。双极性晶体管是电子学历史上具有革命意义的一项发明,其发明者威廉肖克利、约翰巴丁和沃尔特布喇顿被授予了1956年的诺贝尔物理学奖。

  这种晶体管的工作,同时涉及电子和空穴两种载流子的流动,因此它被称为双极性的,所以也称双极性载子电晶体。这种工作方式与诸如场效应管的单极性晶体管不同,后者的工作方式仅涉及单一种类载流子的漂移作用。两种不同掺杂物聚集区域之间的边界由PN结形成。

  NPN型双极性晶体管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在双极性晶体管的正常工作状态下,基极-发射极结(称这个PN结为“发射结”)处于正向偏置状态,而基极-集电极(称这个PN结为“集电结”)则处于反向偏置状态。在没有外加电压时,发射结N区的电子(这一区域的多数载流子)浓度大于P区的电子浓度,部分电子将扩散到P区。同理,P区的部分空穴也将扩散到N区。这样,发射结上将形成一个空间电荷区(也成为耗尽层),产生一个内在的电场,其方向由N区指向P区,这个电场将阻碍上述扩散过程的进一步发生,从而达成动态平衡。这时,如果把一个正向电压施加在发射结上,上述载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破,这样会使热激发电子注入基极区域。在NPN型晶体管里,基区为P型掺杂,这里空穴为多数掺杂物质,因此在这区域电子被称为“少数载流子”。

  从发射极被注入到基极区域的电子,一方面与这里的多数载流子空穴发生复合,另一方面,由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄,并且集电结处于反向偏置状态,大部分电子将通过漂移运动抵达集电极区域,形成集电极电流。为了尽量缓解电子在到达集电结之前发生的复合,晶体管的基极区域必须制造得足够薄,以至于载流子扩散所需的时间短于半导体少数载流子的寿命,同时,基极的厚度必须远小于电子的扩散长度(diffusion length,参见菲克定律)。在现代的双极性晶体管中,基极区域厚度的典型值为十分之几微米。需要注意的是,集电极、发射极虽然都是N型掺杂,但是二者掺杂程度、物理属性并不相同,因此必须将双极性晶体管与两个相反方向二极管串联在一起的形式区分开来。

  一个双极性晶体管由三个不同的掺杂半导体区域组成,它们分别是发射极区域、基极区域和集电极区域。这些区域在NPN型晶体管中分别是N型、P型和N型半导体,而在PNP型晶体管中则分别是P型、N型和P型半导体。每一个半导体区域都有一个引脚端接出,通常用字母E、B和C来表示发射极(Emitter)、基极(Base)和集电极(Collector)。

  基极的物理位置在发射极和集电极之间,它由轻掺杂、高电阻率的材料制成。集电极包围着基极区域,由于集电结反向偏置,电子很难从这里被注入到基极区域,这样就造成共基极电流增益约等于1,而共射极电流增益取得较大的数值。从右边这个典型NPN型双极性晶体管的截面简图可以看出,集电结的面积大于发射结。此外,发射极具有相当高的掺杂浓度。

  在通常情况下,双极性晶体管的几个区域在物理性质、几何尺寸上并不对称。假设连接在电路中的晶体管位于正向放大区,如果此时将晶体管集电极和发射极在电路中的连接互换,将使晶体管离开正向放大区,进入反向工作区。晶体管的内部结构决定了它适合在正向放大区工作,所以反向工作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放大区时小得多。这种功能上的不对称,根本上是缘于发射极和集电极的掺杂程度不同。因此,在NPN型晶体管中,尽管集电极和发射极都为N型掺杂,但是二者的电学性质和功能完全不能互换。发射极区域的掺杂程度最高,集电极区域次之,基极区域掺杂程度最低。此外,三个区域的物理尺度也有所不同,其中基极区域很薄,并且集电极面积大于发射极面积。由于双极性晶体管具有这样的物质结构,因此可以为集电结提供一个反向偏置,不过这样做的前提是这个反向偏置不能过大,以致于晶体管损坏。对发射极进行重掺杂的目的是为了增加发射极电子注入到基极区域的效率,从而实现尽量高的电流增益。

  在双极性晶体管的共射极接法里,施加于基极、发射极两端电压的微小变化,都会造成发射极和集电极之间的电流发生显著变化。利用这一性质,可以放大输入的电流或电压。把双极性晶体管的基极当做输入端,集电极当做输出端,可以利用戴维南定理分析这个二端口网络。利用等效的原理,可以将双极性晶体管看成是电压控制的电流源,也可以将其视为电流控制的电压源。此外,从二端口网络的左边看进去,基极处的输入阻抗减小到基极电阻的,这样就降低了对前一级电路的负载能力的要求

  因为单极型管(场效应管)不使用这样的称呼(使用:源极、栅极、漏极来称呼)。

  集电极-发射极电流可以视为受基极-发射极电流的控制,这相当于将双极性晶体管视为一种“电流控制”的器件。还可以将它看作是受发射结电压的控制,即将它看做一种“电压控制”的器件。事实上,这两种思考方式可以通过基极-发射极结上的电流电压关系相互关联起来,而这种关系可以用PN结的电流-电压曲线表示。

  人们曾经建立过多种数学模型,用来描述双极性晶体管的具体工作原理。例如,古梅尔潘模型(GummelPoon Model)提出,可以利用电荷分布来精确地解释晶体管的行为。上述有关电荷控制的观点可以处理有关光电二极管的问题,这种二极管基极区域的少数载流子是通过吸收光子(即上一段提到的光注入)产生的。电荷控制模型还能处理有关关断、恢复时间等动态问题,这些问题都与基极区域电子和空穴的复合密切相关。然而,由于基极电荷并不能轻松地在基极引脚处观察,因此,在实际的电路设计、分析中,电流、电压控制的观点应用更为普遍。

  在模拟电路设计中,有时会采用电流控制的观点,这是因为在一定范围内,双极性晶体管具有近似线性的特征。在这个范围(下文将提到,这个范围叫做“放大区”)内,集电极电流近似等于基极电流的倍,这对人们分析问题、控制电路功能有极大的便利。在设计有的基本电路时,人们假定发射极-基极电压为近似恒定值(如),这时集电极电流近似等于基极电流的若干倍,晶体管起电流放大作用。

  然而,在真实的情况中,双极性晶体管是一种较为复杂的非线性器件,如果偏置电压分配不当,将使其输出信号失真。此外,即使工作在特定范围,其电流放大倍数也受到包括温度在内的因素影响。为了设计出精确、可靠的双极性晶体管电路,必须采用电压控制的观点(例如后文将讲述的艾伯斯-莫尔模型)。电压控制模型引入了一个指数函数来描述电压、电流关系,在一定范围内,函数关系为近似线性,可以将晶体管视为一个电导元件。这样,诸如差动放大器等电路的设计就简化为了线性问题,所以近似的电压控制观点也常被选用。对于跨导线性(translinear)电路,研究其电流-电压曲线对于分析器件工作十分关键,因此通常将它视为一个跨导与集电极电流成比例的电压控制模型。

  晶体管级别的电路设计主要使用SPICE或其他类似的模拟电路仿真器进行,因此对于设计者来说,模型的复杂程度并不会带来太大的问题。但在以人工分析模拟电路的问题时,并不总能像处理经典的电路分析那样采取精确计算的方法,因而采用近似的方法是十分必要的。

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