什么是双极性晶体管？双极型晶体管的放大模式解析

中科院半导体所 2023-12-28 2669

描述

双极型晶体管，电子工业的基石，引领着人类科技发展的重要引擎。

双极型晶体管的起源

双极型晶体管是由贝尔实验室(Bell Laboratory)的一个研究团队在1947年发明的，第一个晶体管是将两条具有尖锐端点的金属线与锗衬底(germanium substrate)形成点接触(point contact)，以今天的水准来看，此第一个晶体管虽非常简陋但它却改变了整个电子工业及人类的生活方式。

现代双极型晶体管，锗衬底已由硅(silicon)取代，点接触亦由两个相邻的耦合p‒n结(coupled p‒n junction)所取代，其结构可为p‒n‒p或n‒p‒n的形式。

晶体管(transistor，是转换电阻transfer resistor的缩写)是一个多重结的半导体器件。

通常晶体管会与其他电路器件整合在一起，以获得电压、电流或是信号功率增益。

双极型晶体管(bipolartransistor)，或称双极型结晶体管(bipolar junction transistor，BJT)是最重要的半导体器件之一，在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具有广泛的应用。

什么是P-N结

由p型半导体和n型半导体接触形成的结。

举个例子，P型半导体是一块正方形的泥巴，这个泥巴里有很多孔洞（空穴），类似于我们看到的龙虾洞。N型半导体也是一块正方形的泥巴，这个泥巴中藏了很多龙虾（自由电子）。当我们把这两块泥巴贴在一起的时候，龙虾就会往龙虾洞的方向爬。

电流电压

最前排的龙虾最先找到第一排的龙虾洞，第一排的龙虾钻进了龙虾洞后，后面的龙虾再找龙虾洞就需要爬的更远，更困难。

前面几排龙虾洞已消耗殆尽，半导体行业将这个区域称为耗尽区(Depletionregion)。

电流电压

P-N结有一个特性，叫做整流性，即只容许电流流经单一方向。

就好像一个门，人可以轻易的从一个方向推开门，如果你反着推门就很费劲。当然，你也可以用很大的力暴力推门，门被推碎了，这是过程我们称为结击穿。

如果从电流-电压特性来看P-N结，曲线如下图所示：

电流电压

虽然正着推门，人们很容易进入房间，在P-N结中，人们也会利用反着推门的特点，叫反向偏压。

在一个P-N结上加正向偏压和一个反向的偏压，会出现什么现象呢？

给P-N结增加一个正向偏压，类似在泥巴里给前排小龙虾坐上了汽车，前排小龙虾很快就到了龙虾洞，整体龙虾出行减少，龙虾爬向龙虾洞的数量也减少，耗尽区宽度减小。

给P-N结增加一个反向偏压，类似在泥巴里刮起了台风，龙虾前进的更慢，龙虾都堆积在一起，前排龙虾的数量增加，半导体耗尽区宽度增加。

下图中(a)是P-N结正常耗尽区宽度，(b)是加载正向偏压后，(c)是加载反向偏压后；

电流电压

双极性晶体管的结构

下图为p‒n‒p双极型晶体管的透视图，其制造过程是以p型半导体为衬底，利用热扩散的原理在p型衬底上形成n型区，再在此n型区上以热扩散形成一高浓度的p＋型区，接着以金属覆盖p＋、n以及下方的p型区形成欧姆接触。

电流电压

p‒n‒p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p‒n结。浓度最高的p＋区称为发射区(emitter，以E表示)；

中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度；

浓度最小的p型区域称为集电区(collector，用C表示)。各区域内的浓度假设均匀分布，p‒n结的概念可直接应用在晶体管内的结上。

电流电压

下图为p‒n‒p双极型晶体管的电路符号，图中亦显示各电流成分和电压极性，箭头和“+”、“‒”符号分别表示晶体管在一般工作模式(即放大模式，active mode)下各电流的方向和电压的极性，该模式下，射基结为正向偏压(VEB＞0)，而集基结为反向偏压(VCB＜0)。根据基尔霍夫电路定律(Kirchhoff’s circuit law)，对此三端点器件，只有两独立电流；若任两电流为已知，第三端点电流即可求得。

电流电压

n‒p‒n双极型晶体管的结构与p‒n‒p双极型晶体管是互补的，下图分别是理想p‒n‒p晶体管的结构与电路符号。

将p‒n‒p双极型晶体管结构中的p换成n、n换成p，即为n‒p‒n双极型晶体管的结构，因此电流方向与电压极性也都相反。

电流电压

了解了p‒n‒p晶体管，只要将极性和掺杂类型调换，即可描述n‒p‒n晶体管。

双极型晶体管的放大模式

下图(a)是热平衡状态下的理想p‒n‒p双极型晶体管，即其三端点接在一起，或者三端点都接地，阴影区域分别表示两个p‒n结的耗尽区。

图(b)显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射区的掺杂浓度远比集电区大，基区的浓度比发射区低，但高于集电区浓度。

图(c)为耗尽区的电场强度分布情况。

图(d)是晶体管的能带图，它只是将热平衡状态下p‒n结能带直接延伸，应用到两个相邻的耦合p＋‒n结与n‒p结。

电流电压

下图是前图所示的晶体管工作在放大模式下相对应的各子图。

图(a)将晶体管连接成共基组态(common‒base configuration)放大器，即基极被输入与输出电路所共用。

图(b)与图(c)表示出偏压状态下电荷密度与电场强度分布的情形，与前图的热平衡状态下比较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集基结耗尽区变宽。

图(d)是晶体管工作在放大模式下的能带图，射基结为正向偏压，因此空穴由p＋发射区注入基区，而电子由基区注入发射区。

电流电压

在理想二极管中，耗尽区不会有产生‒复合电流，所以由发射区到基区的空穴与由基区到发射区的电子组成了发射极电流。

而集基结是处在反偏状态，因此有一反向饱和电流流过。若基区宽度足够小，由发射区注入基区的空穴便能扩散通过基区而到达集基结耗尽区边缘，并在集基偏压的作用下通过集电区。

此种输运机制便是注射载流子的“发射极”以及收集邻近结注射过来的载流子的“集电极”名称的由来。

如果大部分入射的空穴都没有与基区中的电子复合而到达集电极，则集电极的空穴电流将非常接近发射极空穴电流。

可见，由邻近的射基结注射过来的空穴可在反偏的集基结造成大电流，这就是晶体管的放大作用(transistor action)，而且只有当此两结彼此足够接近时才会发生，因此此两结被称为交互p‒n结(interactingp‒n junction)。

相反地，如果此两p‒n结距离太远，所有入射的空穴将在基区中与电子复合而无法到达集基区，并不会产生晶体管的放大作用，此时p‒n‒p的结构就只是单纯两个背对背连接的p‒n二极管。

电流增益：下图中显示出理想的p‒n‒p晶体管在放大模式下的各电流成分。设耗尽区中无产生‒复合电流，则由发射区注入的空穴将构成最大的电流成分IEp 。

电流电压

大部分的入射空穴将会到达集电极而形成ICp。

基极的电流有三个，即IBB、IEn以及ICn。

其中IBB代表由基极所供应、与入射空穴复合的电子电流(即IBB=IEp‒ICp)；IEn代表由基区注入发射区的电子电流，是不希望有的电流成分，可利用发射区重掺杂或异质结来减少；ICn代表集电结附近因热所产生、由集电区流往基区的电子电流。

工作模式：根据射基结与集基结上偏压的不同，双极型晶体管有四种工作模式。

下图显示了p‒n‒p晶体管的四种工作模式与VEB、VCB的关系，每一种工作模式的少数载流子分布也显示在图中。

如在放大模式下，射基结是正向偏压，集基结是反向偏压。

在饱和模式(saturation mode)下，晶体管中的两个结都是正偏，导致两个结的耗尽区中少数载流子分布并非为零。在饱和模式下，极小的电压就产生极大的输出电流，晶体管处于导通状态，类似于开关短路(亦即导通)的状态。在截止模式(cutoff mode)下，晶体管的两个结皆为反偏，边界条件变为pn(0)=pn(W)=0，截止模式下的晶体管可视为开关断路(或关闭)。

在反转模式(inverted mode)下，射基结是反向偏压，集基结是正向偏压；在反转模式下晶体管的集电极用作发射极，而发射极用作集电极，相当于晶体管被倒过来用，但是在反转模式下的电流增益通常较放大模式小，这是因为集电区掺杂浓度较基区浓度小，造成低的“发射效率”所致。

开关暂态过程：在数字电路中晶体管的主要作用是当作开关。可利用小的基极电流在极短时间内改变集电极电流由关(off)成为开(on)(反之亦然)。关是高电压低电流，开是低电压高电流。

异质结双极型晶体管

异质结双极型晶体管(HBT)是指晶体管中的一个或两个结由不同的半导体材料所构成。

HBT的主要优点是发射效率较高，其应用基本上与双极型晶体管相同，但HBT具有较高的速度，可以工作在更高的频率。因为其具有这些特性，HBT在光电、微波和数字应用上非常受欢迎。如在微波应用方面，HBT常被用来制造固态微波及毫米波功率放大器、震荡器和混频器。

基本HBT结构：大部分HBT的技术都是在AlxGa1‒xAs/GaAs材料系统中发展的，下图是一个基本n‒p‒n型HBT结构。

n型发射区是以宽禁带的AlxGa1‒xAs组成，而p型基区是以禁带宽度较窄的GaAs组成，n型集电区和n型次集电区分别以低掺杂浓度和高掺杂浓度的GaAs组成。

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为了形成欧姆接触，在发射区接触和砷化铝镓层之间加了一层高掺杂浓度的n型砷化镓。因为发射区和基区材料间具有很大的禁带宽度差，共射电流增益可以提到很高。而同质结的双极型晶体管并无禁带宽度差存在，必须将发射区和基区的掺杂浓度比提到很高，这是同质结与异质结双极型晶体管最基本的不同处。

先进的HBT：最近几年InP系(InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs)的材料被系统地研究，InP系异质结构有很多优点。InP/InGaAs结构具有非常低的表面复合，而且InGaAs的电子迁移率较GaAs高出很多，因此具有相当优异的高频表现。

下图是一典型磷化铟系HBT的特性曲线，其截止频率可高达254GHz。此外，InP在强电场时比GaAs具有更高的漂移速率，击穿电压亦比GaAs高。

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另一种异质结是Si/SiGe材料体系，它有几项特性在HBT应用中非常具有吸引力。如同AlGaAs/GaAs HBT，Si/SiGe HBT也因禁带宽度差可重掺杂而具高速特性。

硅界面陷阱密度低，可以减少表面复合电流，确保在低集电极电流时，仍维持高电流增益。另外，与标准硅工艺技术相容也是一个深具吸引力的特性。

下图(a)是一个典型Si/SiGe HBT结构，图(b)是Si/SiGeHBT与硅同质结双极型晶体管的集电极电流比较，结果显示Si/SiGe HBT具有较高的电流增益。与砷化镓系和磷化铟系的HBT相较，Si/SiGe HBT具有较低的截止频率，此乃因为硅的载流子迁移率较低。

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可控硅器件及相关功率器件

可控硅器件是一种非常重要的功率器件，可用来作高电压和高电流的控制，使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然。其工作与双极型晶体管有密切的关系，传导过程皆牵涉到电子和空穴，但其开关机制和结构与双极型晶体管不同，有较宽广范围的电流、电压控制能力，其额定电流可由几毫安到超过5000A，额定电压>10000V。

基本特性：下图是可控硅器件的截面示意图，是一个四层p‒n‒p‒n器件，由三个串接的p‒n结J1、J2、J3组成。与接触电极相连的最外一p层称为阳极(anode)，另一边的n层称为阴极(cathode)。这个没有额外电极的结构是个两端点的器件，被称为p‒n‒p‒n二极管。

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若另一称为栅极(Gate)的电极被连到内层的p2层，所构成的三端点器件称为半导体控制整流器(semiconductor‒controlled rectifier, SCR)或可控硅器件(thyristor)。

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下图(b)是一典型的可控硅器件掺杂浓度分布图，首先选一高阻值的n型硅片当作起始材料(n层)，再以一扩散步骤同时形成p1和p2层，最后用合金或扩散，在硅片的一边形成n2层。

图(c)是可控硅器件在热平衡状态下的能带图；其中每个结都有耗尽层，其内建电势由掺杂浓度决定。

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下图是一可控硅器件的简单应用，可以调整由电源线传至负载的功率，负载及RL可能是灯泡或是暖炉类的加热器，在每个周期中传至负载的功率是由可控硅器件的栅极电流脉冲所控制的。

若电流脉冲在接近每个周期开始时就加入栅极，就会有较多的功率传送到负载。相反地，如果将电流脉冲延迟，可控硅器件在周期尾声才导通，传送到负载的功率将会显著下降。

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审核编辑：刘清

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