双极型三极管及其在生活中的应用 一、双极型三极管的介绍 1、 类型与结构
双极型三极管 (Bipolar Junction Transistor, BJT称为半导体三极管、晶体半导体等,是 一种重要的三端子电子器件。 它是由贝尔实验室 (Bell Laboratory 的一个研究团队在 1947年发明的。虽然如今 MOSFET 已经成为应用最广泛的电子器件,但是 BJT 仍然在汽车电子 仪器、无线系统频射电路等领域具有一定的优越性。
双极型 三极管(BJT 是一种电流控制器件。它由两个背 靠背 PN 结构成, 是具有电流放大作用的晶体 三极管, 。 它有三 个电极, 每个电极伸出一个引脚, 由 电子和空穴同时参与导电。 BJT 常见的晶体管外形如右图所示。
在一个硅片或锗片上生成三个半导体区域:一个 P 区夹在两个 N 区中间的称为 NPN 型 管;一个 N 区夹在两个 P 区之间的称为 PNP 型管。 它们的电路符号和结构图如下图所示。
(NPN 型管的结构模型图
(A 为 NPN 晶体管、 B 为 PNP 晶体管
三个杂质半导体区域分别为:基区、发射区、集电区。它们的特点是:基区 很薄,空穴 浓度较小; 发射区与基区的接触面较小, 高掺杂; 集电区与基区的接触面较大。
从三个区域 中分别引出三个电极:基极(B 、发射极(E 、集电极(C 。三个杂志半导体区域之间两 两形成了 PN 结。其中 发射区和基区间形成发射结,集电区和基区间形成集电结。上图所示 是 NPN 型管的结构模型图。
2、 工作原理
BJT 的工作模式有三:共射极放大、共基极放大、共集极放大。其中最常见的是共发射极工 作模式。
当
BJT 中两个 PN 结偏置条件不同时, BJT 将呈现不同 的工作状态【 1】 : (1 放大区:发射结正偏且大于开启电压, 集电结反偏。 (2截止区:发射结和集电结均为反向偏置。其实只要 发射结反偏或零偏置 , 三极管就已处于截止状态 . 在数字 电路中 , 这个条件还要弱一些 , 只要加在发射结上的电压 小于导通电压 , 三极管就可以截止。
(3饱和区:发射结和集电结均为正向偏置。 (4倒置态【 2】 :发射结加反向偏置电压 , 集电结加正向偏置电压。与 BJT 的放大状态相 比 , 相当于把集电极与发射极相互交换。
工作原理描述:当晶体管工作在有源放大区时,管内载流子运 动如右图所示。由于发射结的外加正向电压,发射区的电子向基区 扩散 , 形成发射极电流 I E 。 部分电子继续向集电结方向扩散, 另一部 分电子与基区的空穴符合形成基区复合电流 I
BN 。由于集电结的外 加反向电压,从基区扩散来的电子很快漂移过集电结并被集电区收 集,形成集电极电流 I C 。与此同时,基区自身的电子和集电区的空 穴也在反偏电压作用下产生漂移运动,形成集电结反向饱和电流 I CBO 。
3、 电学特性 (1 电流增益
集电极电流 I C 和发射极电流 I E 之间的关系可以用系数来说明,定义 :
通常通过改善决定发射极注入效率(?和基区传输因子(αT 的结构参数使电流参数得到 优化。
其中,发射极注入效率(?定义为:
(N B 是基区的掺杂浓度, N E 是发射区的掺杂浓度; D PE 是电子在发射区中的扩散系数, D NB 是少子在基区的扩散系数; W B 和 W E 分别基区和发射区的宽度
(a 为放大状态、 b 为倒置状态 (BJT 工作原理图
想要改善发射极注入效率,必须减小 N B 和 N E 的比值,因此发射区的掺杂浓度必须远大于 基区。 【 3】
基区传输因子(αT 定义为: 其中,
是基区的少子扩散长度, D nB 是少子在基区的扩散系数。 BJT 的共发射极电流增益定义为集电极电流和基极电流的比值: (2 击穿电压
在 BJT 器件中,击穿分为两种:雪崩击穿和穿通击穿。当基区集电区的反偏电压达到 某数值,器件内的最高电场达到临界击穿电场时,电流急剧增加,发生雪崩击穿。当基区 -集电区的反向偏置电压提高后, 基区集电区的耗尽层边缘延伸至整个基区, 基区电中性消失, 整个基区都是高电场的耗尽区。 此时, 发射区的电子可以直接漂移到集电区, 从而输出很大 的集电极电流,发生穿通击穿。 【 4】 器件的雪崩击穿电压 BV 定义为:
其中, ?是半导体材料的介电常数, N 是漂移区的掺杂浓度。 E C 为半导体材料的临界击穿电 场。
二、双极型三极管在生活中的应用 1、基于 BJT 的温度传感器 1简介 基于 BJT 的 CMOS 温度传感器根据基极-发射极电压 V BE 的温度特性来测量溫度。由于 BJT 良好的温度特性,这种温度传感器可以达到很高的精度,达到了 0.1°C ,是目前精度最 高的 CMOS 温度传感器。 但是其普遍存在功耗过高、 面积过大的问题, 随着这些年的发展, 这些问题已经逐步得到改善【 5】 。
2温度测量原理【 6】
双极型晶体管及其在生活中的应用(精)
