双极结晶体管

双极结型晶体管 (BJT) 之所以得名，是因为它的操作涉及两个载流子的传导：同一晶体中的电子和空穴。第一个双极晶体管由 William Shockley、Walter Brattain 和 John Bardeen 在 1947 年晚些时候在贝尔实验室发明，直到 1948 年才出版。因此，许多文本在发明日期方面存在差异。 Brattain 制造了一个锗点接触晶体管 ，与点接触二极管有些相似。一个月之内，肖克利就有了一个更实用的结晶体管 ，我们将在以下段落中描述。 1956年他们因晶体管获得诺贝尔物理学奖。

下图（a）所示的双极结型晶体管是一个 NPN 三层半导体夹层，带有一个发射极 和收藏家 在末端，还有一个 base 之间。就好像在两层二极管中添加了第三层。如果这是唯一的要求，我们将只需要一对背对背二极管。事实上，构建一对背对背二极管要容易得多。制造双极结型晶体管的关键是在不使外层、发射极和集电极短路的情况下，使中间层、基极尽可能薄。我们怎么强调薄基区的重要性都不为过。

BJT 结

下图（a）中的器件有一对结，发射极到基极和基极到集电极，以及两个耗尽区。

(a) NPN结双极晶体管。 (b) 对集电极基极结施加反向偏压。

通常对双极结型晶体管的基极 - 集电极结进行反向偏置，如（上图（b）所示。注意，这会增加耗尽区的宽度。反向偏置电压可能是几伏到几十伏）对于大多数晶体管，集电极电路中除漏电流外没有电流流动。

在下图 (a) 中，发射极基极电路中添加了一个电压源。通常我们正向偏置发射极-基极结，克服 0.6 V 势垒。这类似于正向偏置结二极管。该电压源需要超过 0.6V 才能使多数载流子（NPN 为电子）从发射极流入基极成为 P 型半导体中的少数载流子。

如果基区很厚，如一对背对背二极管，所有进入基极的电流都会从基极引线流出。在我们的 NPN 晶体管示例中，离开发射极进入基极的电子会与基极中的空穴结合，从而在电子离开时为在基极 (+) 电池端子上产生更多空穴留出空间。

然而，底座制造得很薄。发射极中的少数多数载流子作为少数载流子注入基极，实际上重新结合。见下图(b)。由发射极注入 NPN 晶体管基极的电子很少落入空穴中。此外，进入基极的少数电子直接通过基极流向电池正极。电子的大部分发射极电流通过薄基极扩散到集电极中。此外，调制小基极电流会产生较大的集电极电流变化。如果硅晶体管的基极电压低于约 0.6 V，则大的发射极-集电极电流停止流动。

集电极-基极反向偏置的NPN结双极型晶体管：(a) 基极-发射极结正向偏置，导致(b)基极电流小，发射极和集电极电流大。

BJT 电流放大

在下图中，我们仔细看看当前的放大机制。我们有一个 NPN 结晶体管的放大视图，重点是薄基区。尽管未显示，我们假设外部电压源 1) 正向偏置发射极-基极结，2) 反向偏置基极-集电极结。电流，使发射极流向 (-) 电池端子。基极电流对应于从（+）电池端进入基极的电流。

进入基区的电子的配置：（a）由于与基区空穴复合而丢失。 (b) 流出碱铅。 (c) 大部分从发射极通过薄基极扩散到基极-集电极耗尽区，(d) 被强耗尽区电场迅速扫入集电极。

N 型发射极内的多数载流子是电子，进入 P 型基极时成为少数载流子。这些电子进入薄 P 型基区时面临四种可能的命运。上图 (a) 中的一些掉入基极中的孔中，这些孔有助于基极电流流向 (+) 电池端子。未显示，基极中的空穴可能会扩散到发射极中并与电子结合，从而产生基极电流。 (b) 处很少有电流通过底座流向 (+) 电池端子，就好像底座是一个电阻器一样。 (a) 和 (b) 都有助于非常小的基极电流。对于小信号晶体管，基极电流通常是发射极或集电极电流的 1%。大多数发射极电子直接通过薄基极 (c) 扩散到基极 - 集电极耗尽区。请注意 (d) 处电子周围耗尽区的极性。强电场将电子迅速扫入集电极。场强与集电极电池电压成正比。因此 99% 的发射极电流流入集电极。它由基极电流控制，为发射极电流的 1%。这是99的潜在电流增益，IC/IB的比值，也称为β，β。

这种魔法，99% 的发射极载流子通过基极扩散，只有在基极非常薄的情况下才有可能。在 100 倍厚的基极中，基极少数载流子的命运将如何？人们会期望电子落入空穴的复合率要高得多。也许 99%，而不是 1%，会掉进洞里，永远不会到达收集器。要说明的第二点是基极电流可以控制 99% 的发射极电流，前提是 99% 的发射极电流扩散到集电极中。如果全部流出基地，就无法控制。

另一个使 99% 的电子从发射极传递到集电极的特征是真正的双极结型晶体管使用小的重掺杂发射极。发射极电子的高浓度迫使许多电子扩散到基极中。基极中较低的掺杂浓度意味着较少的空穴扩散到发射极，这会增加基极电流。载流子从发射极到基极的扩散是非常有利的。

薄基极和重掺杂发射极有助于保持发射极效率 高，例如 99%。这对应于 100% 的发射极电流在基极 1% 和集电极 99% 之间分配。发射器效率称为α =IC/IE。

BJT 的类型

双极结型晶体管可用作 PNP 和 NPN 器件。我们在下图中展示了这两者的比较。不同之处在于基极发射极二极管结的极性，如示意图符号发射极箭头的方向所示。它指向与结二极管的阳极箭头相同的方向，沿着电流流动。见二极管结，上图。箭头和条的点分别对应于 P 型和 N 型半导体。对于 NPN 和 PNP 发射器，箭头分别指向远离和指向基极。收集器上没有示意图箭头。然而，与二极管相比，基极-集电极结与基极-发射极结的极性相同。注意，我们说的是二极管，不是电源，极性。

比较 (a) 处的 NPN 晶体管与 (b) 处的 PNP 晶体管。注意发射器箭头方向和电源极性。

与 NPN 晶体管相比，PNP 晶体管的电压源是相反的，如上图所示。在这两种情况下，基极-发射极结都必须正向偏置。与 NPN 的正 (a) 相比，PNP 晶体管的基极偏置为负 (b)。在这两种情况下，基极-集电极结都是反向偏置的。 PNP集电极电源为负极，NPN晶体管为正极。

双极结型晶体管：(a) 分立器件横截面，(b) 原理图符号，(c) 集成电路横截面。

请注意，上图 (a) 中的 BJT 在发射极中具有重掺杂，如 N+ 符号所示。基极具有正常的 P 掺杂水平。底座比不按比例显示的横截面要薄得多。集电极是轻掺杂的，如 N 符号所示。集电极需要轻度掺杂，以便集电极-基极结具有高击穿电压。这转化为允许的高集电极电源电压。小信号硅晶体管的击穿电压为 60-80 V。但是，对于高压晶体管，它可能会运行到数百伏。如果晶体管必须处理高电流，集电极也需要重掺杂以最小化欧姆损耗。这些相互矛盾的要求通过在金属接触区域更重地掺杂集电极来满足。与发射极相比，靠近基极的集电极是轻掺杂的。发射极中的重掺杂使发射极-基极在小信号晶体管中具有大约 7 V 的低击穿电压。重掺杂发射极使发射极-基极结在反向偏压下具有齐纳二极管一样的特性。

BJT 死 ，一块切片和切块的半导体晶片，集电极向下安装到功率晶体管的金属外壳。即，金属壳与集电体电连接。小信号管芯可以封装在环氧树脂中。在功率晶体管中，铝键合线将基极和发射极连接到封装引线。小信号晶体管管芯可以直接安装到引线上。可以在称为集成电路的单个芯片上制造多个晶体管 .甚至集电器也可能被焊接到引线而不是外壳上。集成电路可以包含晶体管和其他集成组件的内部布线。 （上图（c））中显示的集成 BJT 比“不按比例”图要薄得多。 P+ 区将单个管芯中的多个晶体管隔离开来。铝金属化层（未显示）互连多个晶体管和其他组件。发射区重掺杂，N+比基极和集电极高，以提高发射极效率。

分立 PNP 晶体管的质量几乎与 NPN 晶体管一样高。然而，在同一集成电路芯片中，集成 PNP 晶体管远不如 NPN 晶体管好。因此，集成电路尽可能多地使用NPN品种。

评论：

• 双极晶体管使用同一器件中的电子和空穴来传导电流。
• 将双极晶体管用作电流放大器要求集电极-基极结反向偏置，发射极-基极结正向偏置。
• 晶体管与一对背对背二极管的不同之处在于基极（即中心层）非常薄。这允许来自发射极的多数载流子作为少数载流子通过基极扩散到基极-集电极结的耗尽区，在那里强电场将它们收集起来。
• 与集电极相比，通过更重的掺杂提高了发射极效率。发射器效率：α =IC/IE，小信号器件为 0.99
• 电流增益为 β=IC/IB，对于小信号晶体管为 100 到 300。

相关工作表：

• 双极结型晶体管 (BJT) 理论工作表