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。它是由貝爾實驗室（Bell Laboratory）的一個研究團隊在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。（雙極型晶體管外形圖）雙極型三極管（BJT）是一種電流控制器件。它由兩個背靠背PN結(jié)構(gòu)成，是具有電流放大作用的晶體三極管，。它有三個電極，每個電極伸出一個引腳，由電子和空穴同時參與導(dǎo)電。B

2、JT常見的晶體管外形如右圖所示。PNP管（3Axx）雙極型晶體管鍺管硅管NPN管（3Bxx）PNP管（3Cxx）NPN管（3Dxx）（雙極型三極管分類圖）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)構(gòu)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、合金擴散管、臺式管、外延平面管。（NPN型管的結(jié)構(gòu)模型圖）（A為NPN晶體管、B為PNP晶體管）在一個硅片或

3、鍺片上生成三個半導(dǎo)體區(qū)域：一個P區(qū)夾在兩個N區(qū)中間的稱為NPN型管；一個N區(qū)夾在兩個P區(qū)之間的稱為PNP型管。它們的電路符號和結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。三個雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域分別為：基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)。它們的特點是：基區(qū)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。從三個區(qū)域中分別引出三個電極：基極（B）、發(fā)射極（E）、集電極（C）。三個雜志半導(dǎo)體區(qū)域之間兩兩形成了PN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。其中最常見的是共發(fā)射極工作模式。（a為

4、放大狀態(tài)、b為倒置狀態(tài)）當(dāng)BJT中兩個PN結(jié)偏置條件不同時，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。（BJT工作原理圖）（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，管內(nèi)載流子運動如右圖所示。由于發(fā)射結(jié)的外加正向

5、電壓，發(fā)射區(qū)的電子向基區(qū)擴散,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，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)生漂移運動，形成集電結(jié)反向飽和電流ICBO。3、 電學(xué)特性（1） 電流增益集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來說明，定義:通常通過改善決定發(fā)射極注入效率（）和基區(qū)傳輸因子（T）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（）定義為：（NB是基區(qū)的摻雜濃度，NE是發(fā)射區(qū)的摻雜濃度；DPE是電

6、子在發(fā)射區(qū)中的擴散系數(shù)，DNB是少子在基區(qū)的擴散系數(shù)；WB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NE的比值，因此發(fā)射區(qū)的摻雜濃度必須遠大于基區(qū)?！?】基區(qū)傳輸因子（T）定義為：其中，是基區(qū)的少子擴散長度，DnB是少子在基區(qū)的擴散系數(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 ：（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)的反偏電壓達到某數(shù)值，器件內(nèi)的最高電場達到臨界擊穿電場時，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基區(qū)，基區(qū)電中性消失，整個基區(qū)都是高電場的耗

7、盡區(qū)。此時，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?！?】器件的雪崩擊穿電壓BV定義為：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。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的溫度特性來測量溫度。由于BJT良好的溫度特性，這種溫度傳感器可以達到很高的精度，達到了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）溫度測量原理【6】雙極型晶體管的基極發(fā)射極電壓V

8、BE是一個與絕對溫度成反比（CTAT）的電壓，其斜率大約為-2mV/C。在不同電流偏置下的兩個相同的雙極型晶體管的基極發(fā)射極電壓之差與絕對溫度成正比關(guān)系。3）工作原理（模擬前端電路原理圖）如上圖所示，電路圖的左半邊是偏置電路，右半邊是傳感器核。由于電路中高増益運放和兩個上拉PMOS管構(gòu)成負反饋環(huán)路，可得Va=Vb。電阻Rbias兩端的電壓為VBE，在電流密度比例一定的情況下，通過調(diào)節(jié)偏置電阻Rbias的大小就可以調(diào)節(jié)偏置電流Ibias。圖中，QBL的基極串聯(lián)的電阻值為Rbias/5，其作用是在偏置電流中引入補償，減小傳感器核輸出的兩個電壓VBE1和VBE2受到噪聲的影響，從而提高了傳感器的精度

9、。2、利用 BJT 的小型 Marx 型脈沖發(fā)生器1）簡介BJT用作開關(guān)時相較于氣體開關(guān)具有易控制以及響應(yīng)迅速的優(yōu)點，并且它價格低廉，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，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）工作原理BJT作為開關(guān)的Marx型脈沖發(fā)生器的特點是開關(guān)速度快，輸出可調(diào),脈沖上升沿或下降沿極短，因此可產(chǎn)生極強的脈沖電場沖擊等?！?】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。與

10、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，能實現(xiàn)其他半導(dǎo)體無法達到的納秒級開關(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)生器由級充放電回路組成，初級觸發(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個同型號的BJT串聯(lián)作為負載。該發(fā)生器體積小，工作穩(wěn)定，適用于生物、醫(yī)藥等顯微操作的場合。三、總結(jié)雙極型三極管以其性能為優(yōu)勢，逐漸滲透到我們生活的各個領(lǐng)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，廣泛運用于數(shù)字系統(tǒng)。除此之外，在現(xiàn)代集成

11、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)者們進行更深入的研究。參考文獻：【1】 李健，楊蘊玠，李秀芬. 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】 楊凡. 基于BJT的溫度傳感器的研究與設(shè)計. 2014（5）.【6】 Fathy.O et al.”Counter Based CMOS Temperature Sensor For Low Frequency Applicati