模电 – 双极型三极管（BJT）简述

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基本概念

• 双极结型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT）俗称半导体三极管，是场效应管之外的另一种重要的三端电子器件。
• 特点：超高频性能、大电流驱动能力
• MOS管是单极型器件，BJT则因其有自由电子和空穴两种极性的载流子同时参与导电而得名。
• 常见外形：

结构简介

• 结构示意图及电路符号：
  
  
• 在一个硅（或锗）片上生成三个杂质半导体区域：一个P区加在两个N区中间，或者一个N区加在两个P区中间。BJT有两种类型：NPN型和PNP型。从三个杂质半导体区域各自引出一个电极，分别称为发射极e，集电极c，基极b，它们对应的杂质半导体区域分别称为发射区，集电区，基区。
• 三个区（基区/集电区/发射区）
• 两个PN结（发射结/集电结）
• 三个区各自的特点：
  • 基区：“控制区” ，掺杂浓度很低，基区宽度非常薄。
  • 集电区：“收集载流子的区域” ，收集载流子，不能有过高的载流子（不能有过高的掺杂浓度），但是面积最大。类似仓库，不能放满东西也不能太小。
  • 发射区：“发射载流子的区域” ，往外发射载流子，要有足够的载流子发射，此区域的载流子浓度最高，也就是掺杂浓度最高。
  • 三个区电气不对称。
• 结构图：
  
  
• 集成电路中的NPN型BJT的截面图：

工作原理

• BJT内部有两个背靠背、互相影响的PN结。当这两个PN结的偏置条件（正偏或反偏）不同时，BJT将呈现不同的特性和功能，可能有四种工作状态：放大、饱和、截止、倒置。

放大状态

• BJT内部载流子的传输过程
• BJT的电流放大作用是由其内部载流子的定向（由发射区向集电区）运动体现出来的。为了保证内部载流子做这样的定向运动，实现电流放大，无论NPN型还是PNP型的BJT，都要将它们的发射结加正偏，集电结反偏。以NPN为例，分析如下：
  
  
• 发射结正偏
  • 发射区向基区扩散载流子，形成发射极电流I_E。
    • 发射结外加正向电压，发射区（高掺杂）的多子电子将不断通过发射结扩散到基区，形成发射结电子扩散电流I_EN，其方向与电子扩散方向相反。同时基区的多子空穴也要扩散到发射区，形成空穴扩散电流I_EP，其方向与I_EN相同，两个电流一起构成受发射结正向电压V_BE控制的发射结电流（也就是发射极电流）I_E，即：$$I_E=I_{EN}+I_{EP}=I_{ES}(e^{V_{BE}/V_T}-1)\approx I_{ES}{e}^{V_{BE}/V_T}$$
    • I_ES为发射结的反向饱和电流，其值与温度、发射区及基区的掺杂浓度有关，还与发射结的面积成比例。
    • 由于基区掺杂浓度很低，I_EP很小，可认为：$$I_E=I_{EN}+I_{EP}\approx I_{EN}$$
  • 载流子在基区扩散与复合，形成复合电流I_BN
    • 由发射区扩散到基区的载流子电子在发射结边界附近浓度最高，离发射结越远浓度越低，形成了一定的浓度梯度。浓度差使得扩散到基区的电子继续向集电结方向扩散。扩散的时候，有一部分电子与基区的空穴复合，形成基区复合电流I_BN。但是由于基区很薄，掺杂浓度又低，因此复合的电子很少，I_BN很小。基区被复合掉的空穴由电压源V_EE从基区拉走电子来补充。
• 集电极反偏
  • 现在自由电子扩散到集电结处，浓度梯度越来越高，如果集电结不把靠近的自由电子抽走，整个自由电子扩散会越来越慢直至停止。
  • 由于集电结外加反偏电压，空间电荷区的内电场被加强，对基区扩散到集电结边缘的载流子电子有很强的吸引力，使其漂移过集电结，被集电极收集，形成集电极漂移电流I_CN，这个电流是受发射结正向电压V_BE控制的。此外，基区自身的少子电子与集电区的少子空穴也要在集电结反偏作用下产生漂移，形成集电结反向饱和电流I_CBO，方向与I_CN一致。两者构成集电极电流I_C，即：$$I_C=I_{CN}+I_{CBO}$$
  • I_CBO不受发射结电压控制，因而对放大没有贡献。它的大小取决于基区和集电区的少子浓度，数值很小，但受温度影响很大，容易使BJT工作不稳定。
• BJT的基极电流：$$I_B=I_{EP}+I_{BN}-I_{CBO}=I_{EP}+I_{EN}$$