雙極型晶體管及其在生活中的應(yīng)用

1、雙極型三極管及其在生活中的應(yīng)用一、雙極型三極管的介紹1、類型與結(jié)構(gòu)雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor, BJT）稱為半導(dǎo)體三極管、晶體半導(dǎo)體等，是 一種重要的三端子電子器件。它是由貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratory）的-個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在1947 年發(fā)明的。雖然如今MOSFET已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的電子器件，但是BJT仍然在汽車電子儀 器、無線系統(tǒng)頻射電路等領(lǐng)域具有一定的優(yōu)越性。雙極型三極管（BJT）是一種電流控制器件。它由兩個(gè)背 靠背PN結(jié)構(gòu)成，是具有電流放大作用的晶體三極管，。它有三 個(gè)電極，每個(gè)電極伸出一個(gè)弓I腳，由電子和空穴同時(shí)參與導(dǎo)電。 BJT常見的

2、晶體管外形如右圖所示。PNP 管(3Axx)鍺管雙極型晶體管硅管（雙極型三極管分類圖）NPN 管(3Bxx)PNP 管(3Cxx)NPN 管(3Dxx)（雙極型晶體管外形圖）雙極型三極管按材料可分為 鍺半導(dǎo)體三極管和硅半導(dǎo)體三極 管，在這兩種三極管中又可按結(jié) 何可分為：NPN型管和PNP型管 由于電子的遷移率比空穴的高， NPN型BJT應(yīng)用的空間相較于 PNP型BJT更廣泛。此外，雙極型三極管按功率耗散能力大小可分為小功率管、中功率管、大功率管；按工作頻率的高低可分為低頻管、高頻管、微波管；按制造工藝又可分為合金管、合金擴(kuò)散管、臺(tái)式管、外延平面管。在一個(gè)硅片或鍺片上生成三個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域：一個(gè)P區(qū)

3、夾在兩個(gè)N區(qū)中間的稱為NPN型 管；一個(gè)N區(qū)夾在兩個(gè)P區(qū)之間的稱為PNP型管。它們的電路符號(hào)和結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。（A為NPN晶體管、B為PNP晶體管）（NPN型管的結(jié)構(gòu)模型圖）三個(gè)雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域分別為：基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)。它們的特點(diǎn)是：基很薄，空穴 濃度較??；發(fā)射區(qū)與基區(qū)的接觸面較小，高摻雜；集電區(qū)與基區(qū)的接觸面較大。從三個(gè)區(qū)域 中分別弓I出三個(gè)電極：基極（B）、發(fā)射極（E）、集電極（C）。三個(gè)雜志半導(dǎo)體區(qū)域之間兩 兩形成7PN結(jié)。其中發(fā)射區(qū)和基區(qū)間形成發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)間形成集電結(jié)。上圖所示 是NPN型管的結(jié)構(gòu)模型圖。2、工作原理BJT的工作模式有三：共射極放大、共基極放大、共集極放大。

4、其中最常見的是共發(fā)射極工 作模式。（a為放大狀態(tài)、b為倒置狀態(tài)）當(dāng)BJT中兩個(gè)PN結(jié)偏置條件不同時(shí)，BJT將呈現(xiàn)不同的 工作狀態(tài)【1】：（1）放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏且大于開啟電壓，集電結(jié)反偏。（2）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置。其實(shí)只要 發(fā)射結(jié)反偏或零偏置，三極管就已處于截止?fàn)顟B(tài).在數(shù)字 電路中，這個(gè)條件還要弱一些，只要加在發(fā)射結(jié)上的電壓 小于導(dǎo)通電壓，三極管就可以截止。（3）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置。（4）倒置態(tài)【2】：發(fā)射結(jié)加反向偏置電壓，集電結(jié)加正向偏置電壓。與BJT的放大狀態(tài)相比,相當(dāng)于把集電極與發(fā)射極相互交換。 工作原理描述：當(dāng)晶體管工作在有源放大區(qū)時(shí)，管載流子運(yùn)動(dòng) 如右

5、圖所示。由于發(fā)射結(jié)的外加正向電壓，發(fā)射區(qū)的電子向基區(qū)擴(kuò) 散，形成發(fā)射極電流IE。部分電子繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散，另一部分 電子與基區(qū)的空穴符合形成基區(qū)復(fù)合電流IBN。由于集電結(jié)的外加反 向電壓，從基區(qū)擴(kuò)散來的電子很快漂移過集電結(jié)并被集電區(qū)收集， 形成集電極電流IC。與此同時(shí)，基區(qū)自身的電子和集電區(qū)的空穴也 在反偏電壓作用下產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，形成集電結(jié)反向飽和電流1制。3、電學(xué)特性（BJT工作原理圖）定義：（1）電流增益集電極電流IC和發(fā)射極電流七之間的關(guān)系可以用系數(shù)來說明 通常通過改善決定發(fā)射極注入效率（Y）和基區(qū)傳輸因子（氣）的結(jié)構(gòu)參數(shù)使電流參數(shù)得 到優(yōu)化。其中，發(fā)射極注入效率（Y ）定義為：（吒

6、是基區(qū)的摻雜濃度，吒是發(fā)射區(qū)的摻雜濃度；Dp.新子在發(fā)射區(qū)中的擴(kuò)散系，Dnb是 少、子在基區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)；可3和We分別基區(qū)和發(fā)射區(qū)的寬度）想要改善發(fā)射極注入效率，必須減小nb和畦的比值，因此發(fā)射區(qū)的摻雜濃度必須遠(yuǎn)大于基 區(qū)?！?】基區(qū)傳輸因子（氣）定義為：cosh（W） 乳咱其中，LnBjDR孔是基區(qū)的少、子擴(kuò)散長(zhǎng)度，DnB是少子在基區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)。BJT 的共發(fā)射極電流增益定義為集電極電流和基極電流的比值：1 u（2）擊穿電壓在BJT器件中，擊穿分為兩種：雪崩擊穿和穿通擊穿。當(dāng)基區(qū)集電區(qū)的反偏電壓達(dá)到某 數(shù)值，器件的最高電場(chǎng)達(dá)到臨界擊穿電場(chǎng)時(shí)，電流急劇增加，發(fā)生雪崩擊穿。當(dāng)基區(qū)-集電 區(qū)的反向

7、偏置電壓提高后，基區(qū)集電區(qū)的耗盡層邊緣延伸至整個(gè)基區(qū)，基區(qū)電中性消失，整 個(gè)基區(qū)都是高電場(chǎng)的耗盡區(qū)。此時(shí)，發(fā)射區(qū)的電子可以直接漂移到集電區(qū)，從而輸出很大的 集電極電流，發(fā)生穿通擊穿?！?】趴-=組器件的雪崩擊穿電壓BV定義為：崩N其中，是半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)，N是漂移區(qū)的摻雜濃度。Ec為半導(dǎo)體材料的臨界擊穿電 場(chǎng)。二、雙極型三極管在生活中的應(yīng)用1、基于BJT的溫度傳感器1 ）簡(jiǎn)介基于BJT 的 CMOS溫度傳感器根據(jù)基極-發(fā)射極電壓Vbe的溫度特性來測(cè)量溫度。由于BJT 良好的溫度特性，這種溫度傳感器可以達(dá)到很高的精度達(dá)到了 0.1C，是目前精度最高的 CMOS溫度傳感器。但是其普遍存在功耗過

8、高、面積過大的問題，隨著這些年的發(fā)展，這些 問題已經(jīng)逐步得到改善【5】。2）溫度測(cè)量原理【6】I雙極型晶體管的基 極-發(fā)射極電壓vbe是 一個(gè)與絕對(duì)溫度成反 比（CTAT ）的電壓，其 斜率大約為-2mV/C。 在不同電流偏置下的 兩個(gè)相同的雙極型晶 體管的基極-發(fā)射極 電壓之差與絕對(duì)溫度 成正比關(guān)系。3）工作原理（模擬前端電路原理圖）加上圖所示，電路圖的左半邊是偏置電路，右半邊是傳感器核。由于電路中高增益運(yùn)放 和兩個(gè)上拉PMOS管構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路，可得V=Vb。電阻七兩端的電壓為、，在電流密度 比例一定的情況下，通過調(diào)節(jié)偏置電阻Rb.的大小就可以調(diào)節(jié)偏置電流Ib.。圖中，Q/基 極串聯(lián)的電阻值

9、為R /5,其作用是在偏置電流中引以補(bǔ)償，減小傳感器核輸出的兩個(gè)電壓 b.asVBE1和七2受到噪聲的影響，從而提高了傳感器的精度。2、利用BJT的小型 Marx型脈沖發(fā)生器1 ）簡(jiǎn)介BJT用作開關(guān)時(shí)相較于氣體開關(guān)具有易控制以及響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，并且它價(jià)格低廉， 適用于大量生產(chǎn)，因此廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)、航空等各個(gè)領(lǐng)域7】。由于傳統(tǒng)開關(guān)存在 體積大、壽命短及發(fā)熱等問題，為了提高工作頻率，半導(dǎo)體開關(guān)憑借其開關(guān)速度快，穩(wěn)定 性高等優(yōu)點(diǎn)，成為更好的選擇。利用BJT制成的小型Marx型脈沖發(fā)生器就是其中之一?！?】2）1作原理BJT作為開關(guān)的Marx型脈沖發(fā)生器的特點(diǎn)是開關(guān)速度快，輸出可調(diào)，脈沖上升沿或

10、下 降沿極短，因此可產(chǎn)生極強(qiáng)的脈沖電場(chǎng)沖擊等【9】BJT集電極與發(fā)射極間雪崩擊穿的過 程具有快導(dǎo)通，快恢復(fù)，穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。與其他半導(dǎo)體開關(guān)元件相比，更適用于小型、 快速、高頻的Marx脈沖發(fā)生器，能實(shí)現(xiàn)其他半導(dǎo)體無法達(dá)到的納秒級(jí)開關(guān)速度?！?0】 下圖所示是利用雙極型三極管制成的納秒級(jí)Marx發(fā)生器的模擬電路圖。（利用BJT的Marx發(fā)生器模擬電路圖）該發(fā)生器由級(jí)充放電回路組成，初級(jí)觸發(fā)開關(guān)采用，可通過控制的導(dǎo)通來控制輸出脈沖 的頻率。以9個(gè)同型號(hào)的BJT串聯(lián)作為負(fù)載。該發(fā)生器體積小，工作穩(wěn)定，適用于生物、醫(yī) 藥等顯微操作的場(chǎng)合。三、總結(jié)雙極型三極管以其性能為優(yōu)勢(shì)，逐漸滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)

11、域。除了以上介紹的溫度 傳感器和小型Marx發(fā)生器，BJT器件還被用來制成射極耦合邏輯器件，廣泛運(yùn)用于數(shù)字系 統(tǒng)。除此之外，在現(xiàn)代集成技術(shù)中，還把BJT 與 MOSFET相結(jié)合，結(jié)合兩者各自的性能特點(diǎn) 構(gòu)成BiMOS電路，獲得了越來越多的應(yīng)用BJT器件具有良好的開發(fā)前景，值得學(xué)者們進(jìn)行 更深入的研究。參考文獻(xiàn)：【1】健，蘊(yùn)玠，秀芬.電子電路中雙極型三極管工作狀態(tài)的判斷.2001 （ 8 ）.【2】王復(fù)亮.晶體管的倒置工作狀態(tài)及其應(yīng)用.2001 （ 4 ）.【3 】Baliga BJ. “Fundamentals of Power Semiconductor Devices.” 2008.【4】鄧永輝.4H-SiC BJT功率期間結(jié)構(gòu)和特性分析.2013（3）.【5】凡.基于BJT的溫度傳感器的研究與設(shè)計(jì).2014（5）.【6 】Fathy.O et al. ” Counter Based CMOS Temperature Sensor For Low F