三极管(BJT)是什么?

文摘   科技   2024-07-24 19:00   浙江  

三极管的全称是半导体三极管。我们从它的名字中可以看出三极管的结构特性:相对于二极管它多了一极——三极;

如果从这个定义出发,我们广义的来看三极管,它就包括了众多种类的器件:双极型晶体管(BJT),达林顿管,晶闸管,场效应管(MOS)以及IGBT等等

但是,当你听到有人说他设计的电路中需要用到一个三极管,那绝不是需要一个达林顿管,晶闸管,MOS管和IGBT。他就是特指:双极型晶体管(BJT),以至于大多数人都忘记它本来的名字,你可知“Triode”不是它真姓。

双极型晶体管全称:双极性结型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT),我们就从它的本名出发来分析BJT的结构特性:

1. 双极性:“自由电子”和“空穴”两种载流子流动参与导电(MOS管是单极性)。

2. 结型:由两个PN结背靠背组成。

我们从功能角度来给三极管下一个定义:一种与其它电路元件结合使用时可产生电流增益、电压增益和的信号功率增加的多结半导体器件

因此三极管是有源器件(二极管是无源器件)。

我们现在看来似乎非常简单的三极管其实并不简单:194712月,贝尔实验室科学家们发明了点接触形式的双极性晶体管。1948年,肖克利发明了采用结型构造的双极性晶体管BJT是电子学历史上具有革命意义的发明其发明者威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·顿被授予了1956年的诺贝尔物理学奖

此后基于BJT又发明了开关速度更快、损耗更小的MOSFET。从此,BJTMOSFET除了作为开关器件应用的同时,也成为了现代大规模集成电路的基本逻辑单元。

三极管(BJT)的结构

如下图所示,三极管有三个掺杂不同的扩散区和两个PN结,根据两个PN结组成结构的不同,可分为两种不同结构的三极管:NPN型和PNP型;简单来说三极管就是在一块半导体基片上制作出两个相距很近的PN结:

1. 发射结(BE结)。

2. 集电结(BC结)。

从两个PN结看,将整块半导体分成了三部分:

1. 基区。

2. 发射区。

3. 集电区。

同时对外呈现三个电极:

1. B极:基极(Base)。

2. C极:集电极(Collector)。

3. E极:发射机(Emitter)。

从上图三极管的简化结构图中,以NPN为例我们看到:

基区(B)的宽度很小,掺杂浓度中等(P+),发射区的掺杂浓度最高(N++),集电区掺杂浓度最低(N

这些特性都对三极管工作特性有非常大的作用。

如下图为集成电路工艺制造的NPN型三极管的截面图,我们可以明显看到实际结构并不像简化结构中那么简单;造成实际结构复杂的原因有两个:

1. 各端口引线要做在表面,为降低半导体电阻和引线与半导体的接触电阻,必须要有重掺杂的N++型掩埋层。

2. 一片半导体材料上要制造很多个三极管,彼此之间要隔离开来,需要通过添加P+型区形成反偏的PN结或添加氧化物,来实现器件的隔离。

通过上图,我们看到三极管并非是对称的器件:

虽然从示意图中可以是2N型半导体夹1P型半导体,但发射区和集电区的掺杂浓度和几何形状都是有很大的不同

所以三极管并非是有两个二极管简单拼凑而成,如下图所示,每个区都有各自不同的特点:

1. 发射区高掺杂:发射区半导体掺浓度高(载流子多)、面积小,便于放射电子。

2. 基区尺度很薄:3~30μm,掺杂浓度低。

3. 集电结面积大:集电区半导体掺杂浓度低(载流子少)、面积大,便于收集电子。

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