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1.1 基本结构 双极结型晶体管#xff08;Bipolar Junction Transistor#xff09;由发射极#xff08;Emitter#xff09;、基极#xff08;Base#xff09;和集电极#xff08;Collector#xff09;三个掺杂程度不同的半导体区域组成#xff0c;分别对应有…一、概述
1.1 基本结构 双极结型晶体管Bipolar Junction Transistor由发射极Emitter、基极Base和集电极Collector三个掺杂程度不同的半导体区域组成分别对应有三个端子引出通常用字母E、B、C来表示。 BJT的特点是在基极和发射极之间流动的非常小的电流可以控制集电极和发射极端子之间较大的电流在电流流动中涉及两种电荷即电子和空穴。 BJT可进一步分为NPN型和PNP型晶体管 NPN型晶体管 中间为P型半导体两侧为N型。在N-P-N结构中电子是多数载流子。当发射极-基极结正向偏置时电子从发射极流向集电极。基极控制这种流动而集电极收集电子。通过反向偏置集电极-基极结来调节集电极电流从而控制电流流动。 PNP型晶体管 中间为N型半导体两侧为P型。在P-N-P结构中空穴是多数载流子。发射极-基极结正向偏置时发射极向晶体管注入空穴。这些空穴流入基区控制着从发射极到集电极的电流。基极控制这种流动而集电极收集空穴。通过反向偏置集电极-基极结来控制电流流动从而实现基极电流对集电极电流的调制。 1.2 掺杂浓度差异 三极管的三个电极的掺杂浓度差异是其实现放大功能的核心设计要素。以下是各电极的掺杂浓度特点 厚度与掺杂浓度的设计原因 集电极C 厚度大增强散热能力承载大电流时避免过热损坏 中等掺杂集电结反向偏置时中等掺杂可形成较宽的耗尽层提高击穿电压 基极B 厚度薄缩短载流子从发射极到集电极的渡越时间提升高频性能 低掺杂降低基区多数载流子浓度减少与注入载流子的复合概率提高电流放大系数 发射极E 厚度较薄减少载流子在发射区的扩散时间提高响应速度 高掺杂提供大量多数载流子确保发射结正向偏置时能快速注入载流子
二、工作原理
2.1 内部载流子的运动 晶体三极管的放大作用的本质是发射结注入载流子、基区控制复合比例、集电结高效收集的协同作用。通过外部电路对基极电流的微小调控IB实现对集电极电流IC的显著放大这一过程依赖于内部载流子扩散与复合的精确平衡。从晶体内部载流子的运动与外部电流的关系上来做进一步的分析如下图所示 发射结加正向电压扩散运动形成发射极电流IE 发射结加正向电压且发射区杂质浓度高所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区。与此同时空穴也从基区向发射区扩散但由于基区杂质浓度低所以空穴形成的电流非常小近似分析时可忽略不计。可见扩散运动形成了发射极电流IE。 由发射区向基区扩散所形成的电子电流 基区向发射区扩散所形成的空穴电流 基区内复合运动所形成的电流 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB 由于基区很薄杂质浓度很低集电结又加了反向电压所以扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合其余部分均作为基区的非平衡少子到达集电结。又由于电源 VBE的作用电子与空穴的复合运动将源源不断地进行形成基极电流IB。 集电结反偏时本征激发的少子基区的电子和集电区的空穴形成微小反向电流 集电结加反向电压漂移运动形成集电极电流IC 由于集电结加反向电压且其结面积较大基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区形成漂移电流。与此同时集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动但它的数量很小近似分析中可忽略不计。可见在集电极电源VCB的作用下漂移运动形成集电极电流IC。 基区内非平衡少子发射区扩散到基区但未被复合的自由电子漂移至集电极区所形成的电流 外部电流关系满足基尔霍夫电流定律 放大系数β 一般情况下即 放大系数β的影响因素 1基区特性 基区宽度基区越薄电子在扩散过程中与空穴复合的概率越低β越高 基区掺杂浓度基区掺杂浓度越低空穴数量越少电子在基区复合概率降低β越高 2发射区特性 发射区高掺杂以确保发射结正偏时电子注入效率高基区空穴注入发射区的比例低β高 3材料与工艺 载流子寿命基区材料的载流子寿命越长电子在扩散过程中被复合的概率越低β越高 基区电阻基区掺杂浓度和宽度影响其电阻电阻过大会导致基极电流分布不均β降低 4工作条件 集电极电流影响β并非完全恒定随IC变化呈现非线性特性 小电流时表面复合和势垒区复合占主导β较低 正常放大区β较稳定 大电流时基区电导调制效应基区载流子浓度剧增导致复合加剧β下降 集电结电压影响集电结反偏电压增大时耗尽层展宽有效基区宽度降低β略微升高 温度影响温度升高会改变载流子浓度和迁移率 本征载流子浓度升高 基区复合电流 增大集电结反向饱和电流 ICBO增大 迁移率降低载流子扩散速度降低复合概率升高 综合影响低温时β较低随温度升高β先增大后减小 通常工作温度范围内β随T升高而增大 5频率特性 高频下β下降当信号频率升高时载流子渡越基区的时间与信号周期可比拟导致部分载流子无法及时到达集电区。 2.2 输入特性曲线 输入特性曲线描述在管压降一定时基极电流与基极-发射极电压之间的关系。如下图所示 死区 当小于某一临界值硅管约为0.5V锗管约为0.2V时由于发射结处于反向偏置或零偏三极管处于截止状态几乎为零。 非线性区 当超过死区电压后随着的增大开始增大且呈非线性关系。这是因为发射结正偏三极管开始导通但此时集电结尚未完全反偏受的控制作用较强。 饱和区 当增大到一定程度后的增长会逐渐减慢最终趋于饱和。这是因为集电结也变为正偏三极管进入饱和状态即使再增加也不会有太大的变化。 变化规律 当1V以后集电结已处于反向偏置随的变化基本不变因此1V后的输入特性曲线与1V时的曲线基本重合。 温度影响 温度升高时曲线左移。即随着温度升高在相同的下增大。 2.3 输出特性曲线 输出特性曲线描述在基极电流一定时集电极电流与集电极-发射极电压之间的关系。如下图所示 根据工作状态曲线分为四个区域 截止区Cut-off Region 条件 发射结反偏或零偏此时 特性仅存在微小漏电流此时三极管处于关断状态无放大作用 放大区Active Region 条件发射结正偏集电结反偏 特性由控制与近似无关曲线平坦 Early效应 三极管的 Early效应厄利效应是描述其输出特性曲线在放大区中集电极电流Ic随集电极-发射极电压VCE变化的一种现象。其表现为输出特性曲线的上翘在放大区当VCE增大时集电极电流Ic会略微上升导致输出特性曲线不再完全水平而是呈现轻微上翘。 1当VCE增大时集电结反偏电压VCB增大集电结空间电荷区变宽 2集电结耗尽层势垒区向基区扩展导致有效基区宽度减小 3基区变薄导致电子扩散路径缩短复合概率降低使得电流放大系数增大Ic随之增大 4因此在基极电流不变的情况下集电极输出电流会随集电极-发射极间电压的增加而略有增加使得输出特性曲线略向上倾斜 在输出特性曲线的放大区任意选取IB将这两条曲线沿着VCE轴的负方向反向延长反向延长的曲线会在VCE轴的负半轴上相交于一点该交点的横坐标值就是厄利电压-VA。 饱和区Saturation Region 条件较大且较低 特性不再受线性控制而是由外电路决定曲线陡峭随显著变化 击穿区Breakdown Region 条件过高超过击穿电压 特性急剧增大可能导致器件损坏应用时需避免进入此区域 2.4 主要参数
2.4.1 反向击穿电压 三极管的反向击穿电压是其在特定偏置条件下能够承受的最大反向电压超过此电压时反向电流急剧增大可能导致器件永久损坏。根据三极管的不同接法和测试条件反向击穿电压可分为以下几种类型 2.4.2 截止电流漏电流 双极结型晶体管BJT的截止电流是指器件处于截止区时各电极之间的微小漏电流。这些电流虽小但在低功耗、高精度及高温应用中至关重要。截止电流可分为以下几种类型 2.4.3 电流放大系数 交流电流放大系数β 三极管在交流信号放大场景下基极电流变化量对集电极电流变化量的控制能力公式为 β反映三极管变化信号交流信号的放大能力是动态参数。 影响因素分析 1温度的影响 温度升高时半导体本征载流子浓度增加基区少子电子浓度上升导致复合率下降β 增大经验公式β 随温度每升高 1℃约增加 0.5%~1%。 2工作点电流 的影响 小电流区基区复合电流占比上升β显著下降。 大电流区基区出现大注入效应注入电子浓度接近基区空穴浓度导致 β 和 hfe 下降。Early 效应集电结反偏电压增大基区有效宽度变窄载流子渡越时间缩短β 略微增大但 增大到一定程度后 β 迅速下降 3频率的影响 高频时发射结和集电结电容的容抗降低分流效应增强导致 β 随频率升高而下降。 4制造工艺与结构的影响 基区厚度厚度越薄载流子复合概率越低β 越高。 掺杂浓度若基区掺杂过高会导致发射结注入效率下降β 降低。 工艺误差同一批次三极管的 β 值可能呈正态分布。 直流电流增益 三极管在直流静态工作点下集电极直流电流与基极直流电流的比值公式为 反映三极管在直流稳态下的电流放大能力是静态参数。 影响因素分析 1温度的影响 静态工作点电流随温度升高而增大导致 可能非线性变化。 2工作点电流 、制造工艺与结构的影响基本同β参数 3频率的影响 与频率无关直流参数不涉及动态电容效应。 2.4.4 饱和电压 饱和区基极 - 发射极电压 三极管进入饱和状态时基极B与发射极E之间的正向偏置电压。此时发射结处于正向导通状态且基极电流足够大使三极管脱离放大区进入饱和区。 影响因素分析 1半导体材料 硅管禁带宽度大1.1eV通常为 0.7~0.8V。 锗管禁带宽度小0.66eV仅 0.3~0.4V但因温度稳定性差应用较少。 2基极电流 基极电流越大发射结注入的载流子越多需更高的正向偏压维持导通随 增大略有升高变化幅度通常 0.1V。 3温度 温度升高时半导体载流子浓度增加发射结等效电阻降低具有负温度系数 温度每升高 1℃约减小 2~2.5mV。 饱和区集电极 - 发射极电压 三极管饱和时集电极C与发射极E之间的电压降反映集电结的正向偏置程度。理想情况下饱和区的三极管可视为 “闭合开关”越小越好以降低导通损耗。与放大区的 集电结反偏 不同饱和区的 集电结转为正向偏置。 影响因素分析 1集电极电流 集电极电流越大三极管内部等效电阻如基区扩展电阻、体电阻上的压降越大随增大显著升高。 2基极电流与饱和深度 基极电流越大饱和深度越深集电结正向偏压越强随增大略有降低但过度增大对的改善有限存在饱和极限。 3温度 温度升高时半导体电阻率降低内部电阻减小随温度升高略有下降温度系数绝对值小于通常为 -0.5 ~ -1mV/℃。 4晶体管结构与工艺 开关管采用浅结工艺、低基区电阻设计更低如 2N3904 的 0.3V。 达林顿管多级放大结构导致饱和时较高≈前级 后级。
2.4.5 频率参数 共发射极截止频率 共发射极接法下电流放大系数β下降到低频值的约 0.707 倍时的信号频率。反映共发射极组态中因结电容分流导致的β高频衰减是三极管共射放大能力的临界频率。 其公式可通过三极管的高频等效电路如混合π模型推导得出最终表达式为 等效输入电容包含基极-发射极结电容和基区扩散电容 基区半导体材料的体电阻与基区宽度和掺杂浓度有关 发射极动态电阻与静态电流相关 时间常数其公式为 表示输入电容充电至稳定状态所需的时间直接决定了频率响应的滚降速度。 ● 越大越低频率响应越差 ● 越小越高频率响应越好 在实际工程计算中常忽略因为尤其对小功率三极管则公式简化为 特征频率 共发射极接法下电流放大系数下降到1时的信号频率即三极管失去电流放大能力的最高频率是衡量三极管能正常放大信号的极限频率是高频性能的综合指标。 共基极截止频率 共基极接法下电流放大系数α下降到低频值的约 0.707 倍时的信号频率。共基极组态的频率特性通常优于共发射极α的衰减主要由载流子渡越基区的时间决定。 其公式为 基区渡越时间载流子从发射结扩散到集电结的平均时间。其中为基区宽度为电子扩散系数在高频三极管中基区渡越时间是主导因素。 发射结势垒区渡越时间载流子穿越发射结空间电荷区的时间 扩散电容充电时间反映发射结扩散电容的充放电延迟其中为发射极动态电阻为扩散电容 集电结势垒区渡越时间载流子穿越集电结空间电荷区的时间 载流子在基区的有效渡越时间 最高振荡频率 三极管功率增益下降到1即无功率放大能力时的信号频率是三极管能维持自激振荡的最高频率。用于评估三极管在振荡电路中的高频极限受内部电阻和电容的综合影响。 2.4.6 温度参数 耗散功率 耗散功率 是指三极管在工作时因半导体材料的电阻效应、PN 结非理想特性如载流子复合、反向漏电流等因素未转化为有用信号而以热量形式消耗的功率。 其组成部分为 1集电结功耗集电极电流流经集电结时因结电阻产生热量占主导地位 2基极回路功耗基极电流流经基极-发射极结产生的功耗通常仅为集电结功耗的 1%~5%可忽略 3体电阻功耗基区、集电区体电阻上的焦耳热高频或大电流场景需考虑 计算公式如下 简化模型 低频小信号放大时通常忽略和体电阻功耗 热阻 1结到壳热阻指三极管内部 PN 结热源到外壳封装表面之间的热阻反映热量从芯片结区传导到外壳的能力。 2壳到环境热阻指热量从三极管外壳表面传导到周围环境如空气的热阻反映外壳向环境散热的能力。 3结到环境热阻指热量从 PN 结直接传导到周围环境的总热阻是结到壳热阻与壳到环境热阻的总和。该参数用于评估器件在实际应用中的整体散热能力是设计散热系统的关键依据。计算公式为 通过耗散功率、热阻参数可推导三极管的实际结温
