3.5.1npn和pnp晶體管

單個(gè)pn結(jié)只具有單向?qū)щ娀蛘?、檢波作用,兩個(gè)密切有機(jī)結(jié)合的pn結(jié),則可形成具有放大作用的npn或pnp晶體管。圖3.24為npn和pnp晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其在電路中的符號(hào)。每種晶體管都有3個(gè)不同摻雜濃度和類型的半導(dǎo)體區(qū)域，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。由發(fā)射區(qū)-基區(qū)構(gòu)成的pn結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(EB結(jié)),由集電區(qū)-基區(qū)構(gòu)成的pn結(jié)稱為集電結(jié)(CB結(jié))。發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)對(duì)應(yīng)的3個(gè)極分別被稱為發(fā)射極、基極、集電極。從結(jié)構(gòu)上看,晶體管似乎就是兩個(gè)背靠背的pn結(jié)。但晶體管與簡(jiǎn)單的兩個(gè)背靠背pn結(jié)不同,位于中間的基區(qū)寬度較窄,遠(yuǎn)小于基區(qū)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度。同時(shí)，晶體管3個(gè)區(qū)的摻雜濃度通常按發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)依次有多個(gè)數(shù)量級(jí)降低。晶體管在電路中應(yīng)用時(shí),可將發(fā)射極、基極、集電極中的一端作為公共端,其余兩端中一端作為輸入、另一端作為輸出。通常以基極或發(fā)射極作為公共端，對(duì)應(yīng)的接法可分別稱為共基極或共發(fā)射極。

晶體管工作時(shí)有多種偏置方法。常見為發(fā)射結(jié)正偏和集電結(jié)反偏。以npn管為例,當(dāng)發(fā)射結(jié)(nP結(jié))正偏時(shí)，將有大量電子從n發(fā)射區(qū)注人至p型基區(qū),除了極少部分電子在擴(kuò)散渡越基區(qū)時(shí)會(huì)復(fù)合以外,絕大部分電子都將到達(dá)反偏的集電結(jié)(pn結(jié)),并在集電結(jié)的電場(chǎng)作用下被收集至集電極,由于正偏pn結(jié)(發(fā)射結(jié))具有很小的阻抗、反偏po結(jié)(集電結(jié))具有很大的阻抗,因此,輸出端可接一個(gè)很大的負(fù)載,也就意味著該晶體管能把一個(gè)很小輸人阻抗上的電流變換至很大輸出阻抗上幾乎同樣大小的電流,所以，晶體管的英文名詞"transistor"即為阻抗變換器("trans十resistor")的組合詞。在共基極應(yīng)用時(shí),輸出端(集電極)可獲得一個(gè)放大的電壓信號(hào)。而在共發(fā)射極應(yīng)用時(shí),輸人端(基極)電流可以在輸出端(集電極)被放大B倍。

雙極型晶體管主要特性如下:1它是少子輸運(yùn)器件，因而性能與少子復(fù)合壽命密切相關(guān);2它是電流控制器件，在共發(fā)射極接法時(shí),輸人端基極電流IB會(huì)在輸出端引起集電極電IB:3它具有低輸人阻抗。

3.5.2 雙極晶體管的基本工作原理和性能

本節(jié)以npn管為例,討論雙極晶體管的工作原理。雙極晶體管有多種偏置方式,最重要的是EB結(jié)正偏、CB結(jié)反偏。圖3.25展示npn晶體管在熱平衡和放大偏置時(shí)的能帶圖。由能帶圖可知,發(fā)射結(jié)正偏和集電結(jié)反偏,使兩個(gè)結(jié)的空間電荷區(qū)寬度發(fā)生相應(yīng)變化,但在發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)中仍存在中性區(qū),在這些中性區(qū)內(nèi)的電流大小可通過求解少子分布進(jìn)而獲得擴(kuò)散電流。在絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件教材中都有詳細(xì)推導(dǎo)[.7.8,這里僅給出主要結(jié)論。

圖3.26(a)和(b)分別為npn晶體管在放大偏置時(shí)的少子分布以及載流子輸運(yùn)示意圖。在圖3.26(a)中，用箭頭表示電流方向,在圖3.26(b)中則直接表示電子和空穴的實(shí)際流動(dòng)方向,用上標(biāo)"一"表示電子流，用上標(biāo)"十"表示空穴流。由于EB結(jié)正偏、CB結(jié)反偏,且Ne>>NB>>Ne，在發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)中，基區(qū)中少子濃度最高,又由于基區(qū)通常很窄，因此，基區(qū)中的少子濃度梯度也很大,遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)區(qū)域的少子濃度梯度。由于W。<

而其他兩個(gè)區(qū)域的少子分布通常為指數(shù)衰減形式，但當(dāng)發(fā)射區(qū)也很窄時(shí)(WE<

在不考慮發(fā)射結(jié)復(fù)合電流的情形下,發(fā)射結(jié)總電流Je是發(fā)射結(jié)電子擴(kuò)散電流J和空穴擴(kuò)散電流J之和,由于Ne>>NB,因此，J>>JE。按照晶體管增益特性要求,發(fā)射結(jié)正偏是為了向基區(qū)注人少子，在發(fā)射結(jié)電流中電子電流占比越大越好。在晶體管中，該占比被定義為發(fā)射結(jié)的發(fā)射效率,通過簡(jiǎn)單計(jì)算可知

如前所述，注人少子在基區(qū)中傳輸時(shí)，只有非常少的部分會(huì)與空穴復(fù)合。通常把到達(dá)集電結(jié)的電子電流與進(jìn)人基區(qū)的電子電流之比定義為基區(qū)傳輸系數(shù)a7，其值可表示為

共發(fā)射極接法可獲得電流放大作用,而共基極接法不能獲得電流放大作用。另外,a的微小提高可顯著提高,如a=0.98,則=49,而a=0.99,則=99。從工藝角度提高的方法,與前述提高a的方法相同。

對(duì)于給定晶體管,其輸出電流I值基本上只由輸入電流IE、IB決定,因?yàn)镮co、IcEo相對(duì)來說都很小。圖3.27為npn晶體管在共基極和共發(fā)射極接法時(shí)的輸出特性[。由圖3.27可見,晶體管在放大偏置時(shí)，其輸出電流I。基本上只受輸人電流控制，與輸出端電壓基本無關(guān),尤其對(duì)于共基極接法。在共發(fā)射極接法中，集電極電流Ic隨輸出端電壓V的增加略有增大,是因?yàn)榛鶇^(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，又稱Early效應(yīng)。

應(yīng)當(dāng)指出，上述雙極型晶體管工作原理及其性能參數(shù)的討論，僅針對(duì)理想模型和理想偏置條件。實(shí)際上，當(dāng)偏置電流過小或過大，還需考慮發(fā)射結(jié)的復(fù)合電流影響和大注人效應(yīng)，這些都會(huì)導(dǎo)致a、3的降低,即:在小偏置和大偏置時(shí),a、可隨工作電流(Ic)變化。其次，上述討論只討論了晶體管的直流效應(yīng)或低頻運(yùn)用時(shí)的特性。當(dāng)晶體管工作在高頻時(shí)，由于電容效應(yīng)和載流子渡越時(shí)間,a、會(huì)隨工作頻率增大而降低。當(dāng)晶體管被用作開關(guān)時(shí)，晶體管還會(huì)工作在飽和、截止等狀態(tài)。還有一種情況,即發(fā)射結(jié)反偏而集電結(jié)正偏,這實(shí)際上是正常晶體管的反向使用。正常晶體管的摻雜濃度為Ne>>NB>>Nc，當(dāng)發(fā)射極和集電極顛倒使用時(shí),這個(gè)反向晶體管的摻雜濃度變?yōu)镹<