原创双极性晶体管

 2009-12-28 17:50  2374 3 3 分类: 模拟

双载子接面晶体管（Bipolar Junction Transistor，又称双极晶体管、双载子接面三极管）根据不同的掺杂方式，在同一硅芯片上，制造出三个掺杂区域，形成两个 P-N 結。

基本上依照极性可分成NPN 、PNP 两种类。

以 NPN 晶体管为例：在双载子接面晶体管里，虽然基极内的电洞较多，是多数载子。但是电流的传递，主要却是透过基极里的少数载子（即电子）来完成的，也因此 BJT 被称做少数载子元件（minority-carrier devices）。

简介

以下以NPN晶体管做主要的例子

NPN晶体管操作在射－基极接面顺向偏压，基－集极接面逆向偏压的状态

一个晶体管可以被视为两个二极管共用一端，像NPN晶体管为共用正极，而PNP则是共用负极。在一般状况下，射－基极接面跨有顺向偏压（简称顺偏），而集－基极接面却相反，接的是逆向偏压（简称逆偏），在这种操作模态之下主要当作放大器使用，称为顺向主动模式，我们将在下一节有更详细的介绍。

[编辑] 操作模式

双极晶体管有三种主要工作区间：截止区、饱和区、顺向主动区。

[编辑] 顺向主动区（Forward active region）

以NPN晶体管为例子，射极接负电压，基极接正电压形成顺偏，而集极电位又较基极高，是为逆偏，此时晶体管处于工作区（active region）。在NPN晶体管处于顺向主动区时，射极P-N 結上空乏区（depletion region）的热平衡会被破坏，大量的电子由浓度高的射极区经基极扩散（diffusion）到达基－集极接面的空乏区。到达空乏区后，由于空乏区内形成的电场，电子又被拉入集极，形成集极电流i_C

[编辑] 饱和区（Saturation region）

当射－基极、集－基极接面均跨有顺向偏压时，BJT操作在饱和区。请注意，BJT的饱和区与MOSFET的饱和区虽然名称相同，但定义完全不同，MOSFET的饱和区操作模式，反而比较近似于BJT的顺向主动模式。

[编辑] 截止区（Cutoff region）

[编辑] 制作考量

为了使集极电流更大，在制造BJT时会采取以下策略：

1. 射极区的电子浓度会做得较集极高，方便电子扩散，而PNP晶体管也相同，射极区的电洞浓度较集极更高些，通常差两个数量级左右。

2.
由于电子在穿越基极的过程中，容易和电洞结合（recombine）而消失，故在BJT基极的部分会尽量做薄，基极做得越薄，则电子所需扩散的距离也就愈
短，得载子能够较容易跨越它而到达集基-集接面的空乏区。故我们知，各极载子浓度和基极宽度对于集极电流来说是息息习习相关的。

[编辑] 原理与模型

[编辑] h参数模型

BJT（NPN）的h参数模型。
x 标识为 e, b 或 c 分别表示共射极,、共基极、共集电极拓扑。

另一种常用的模型来分析晶体三极管电路是“h参数模型”的模式，与混合π模型和Y参数双端口密切相关，但使用输入电流和输出电压为独立变量，而不是输入和输出电压。这双端口网络特别适合于BJTs ，因为它本身很容易分析电路的行为，可用于进一步发展精确的模型。如图所示，其中的“ x ”表示双极晶体管的拓扑，对于共射极拓扑采取的各种符号的具体值为:

x = 'e' (即emitter) 表示共射极拓扑
电极 1 = 基极
电极 2 = 集电极
电极 3 = 发射极
i_in = 基极电流 (i_b)
i_o = 集电极电流 (i_c)
V_in = 基极-发射极电压(V_BE)
V_o = 集电极-发射极电压 (V_CE)

h参数如下 –

h_ix = h_ie – 晶体管的输入阻抗（对应的射极电阻 r_e).
h_rx = h_re – 代表V_CE对应的晶体管 I_B–V_BE 曲线。此值通常是非常小的，而且常常被忽视的（假定为零）。
h_fx = h_fe – 晶体管的电流增益。此参数通常指数据手册中的 h_FE 或者 DC 直流电流增益 (β_DC)
h_ox = h_oe – 晶体管的输出阻抗。这个词通常是指导纳，通常需要将它转成阻抗。

如上所示，h参数使用小写的下标字母，表示交流条件或分析；大写则表示直流条件。对于共射极拓扑结构（CE），使用粗略的h参数模型可以进一步简化电路分析，这时h_oe和h_re参数是被忽视的（就是说，它们分别设为无穷和零，）。还应该指出，在h参数模型适合低频率，小信号分析；对于高频分析，跨电极电容必须补充考虑。