第四节 半导体三极管的原理

在前几节内容中介绍了PN的构成及原理，并详细介绍了由PN构成的二极管的各项特性及二极管（transistor)构成的交直流电路。本节及后续章节着重介绍三极管的构成、原理、特性分析以及由三极管构成的放大电路等内容。

1.  三极管的由来

三极管由三个导电极组成，分别为基极b(base)、集电极c（collector）和发射极e（emitter），图形符号如图1所示。

图1 三极管符号图

 

不同于二极管仅有一对PN结构成，三极管是由两队PN结构成，同时在三极管内由两种载流子参与导电，因此三极管又称为双极型三极管（BJT- – Bipolar Junction Transistor），简称晶体管。三极管的外观如图2所示。

图2 三极管的外观

图2形状可以(a),(b)为小功率三极管，(c)中功率三极管，(d)为大功率三极管，具体参数应以三极管具体型号以及三极管对应的使用手册为主。

2. 三极管PN结构成

从图1中可以看出，三极管有NPN和PNP两种PN结的构成方式，即三极管有三个区，形成两个PN结，其中有一个区是共享的。由于NPN三极管与PNP三接管的结构特点类似，因此主要以NPN三极管的结构特点介绍为主，将PNP类型的三极管与NPN型三极管做类比，并列出主要差异。

• NPN型三极管基本结构

对于NPN型三极管结构示意图，如图2所示，可以看出基区P是共享的区域。分别与发射区N以及集电区N形成两个PN结，分别为发射结和集电结。并在三个区引出三个电极，分别为发射极e，基极b和集电极c。真正的NPN的结构如图3所示。

图2  NPN三极管结构示意图

图3 NPN型三极管结构图

 

• NPN型晶体管结构特点

NPN三极管的三个区各有不同的特点，如图4所示。这些不同的特点决定了三极管的特性。

• • 发射区： 发射区的掺杂浓度最高，而且是N区（有时也标注为N⁺)，因此发射区多子是电子，而且多子的含量远高于基区和集电区。
  • 基区：    基区的掺杂浓度最低，而且很薄，一般只有几个微米，甚至纳米级。
  • 集电区：集电区的掺杂浓度低于发射区，但高于基区，集电区所占的面积很大，如图3所示。

图4 晶体管结构特点

• NPN晶体管的外部偏置

晶体管的外部偏置（bias voltage）对载流子的运动有主导性影响，因此根据晶体管的结构特点，晶体管的偏置要求如下：

• • 当晶体管工作在放大状态时：

          （1）基极对发射极正偏，即基极的电压高于发射极电压，对于NPN型三极管，发射结正向导通。

（2）集电极反偏，即集电结处于反偏状态。

• •  当晶体管工作在开关状态时：

   （1）基极对发射极正偏，即基极的电压高于发射极电压，对于NPN型三极管，发射结正向导通。

  （2）集电极反偏，即集电结可能处于反偏状态，也可能处于正偏状态，取决于三极管的饱和程度。但集电结相对于发射极的电压总是处于正偏状态，即集电极的电压总是高于发射极。

图5  三极管的偏置

• • 传统或习惯的标注方式，如图6所示

（1） V_BB 基极的供电电压，

（2）V_CC集电极供电电压，

                     （3）V_EE发射极供电电压（较少使用）

（4）V_SS或GND，0参考电位，一般是地电位

（5） R_B基极偏置电阻

                     （6）R_C集电极偏置电阻

（7）R_E射极偏置电阻

图6  晶体管电路常用的标注

 

3. NPN偏置条件下载流子的运动方向及分配。

• 电流符号及标注

图7是NPN三极管载流子运动方向及分配示意图，在介绍载流子电流之前，对载流子引起的电流标注介绍如下，

（1）红色箭头表示电流方向或空穴移动方向，黑色箭头表示电子移动方向，

 （2）包含N的下标表示由N区多子扩散引起的电流，如：I_CN,I_EN,I_BN等；包含P的下标表示由空穴扩散引起的电流，如I_EP

（2）I_C表示集电极总电流，

（3）I_CN表示由射极电子扩散到基极，并最终扩散到集电极的多子（电子）引起的电流，该电流方向与电子移动方向相反

（4）I_B表示基极总电流，

（5）I_BN表示由发射极多子（电子）扩散到基区，并与基区空穴复合引起的基极电流，

 （6）I_CBO表示集电结两边少数载流子（电子或空穴）的漂移运动引起的电流，方向与空穴的漂移方向一致

（7）I_EP表示有基区空穴扩散到发射区引起的电流

 

 

图7  三极管在偏置条件下载流子运动及分配

• 载流子移动方向及电流计算

在分析载流子的移动方向和电流计算之前，再将三极管的结构特点和外部偏置条件重复如下：

• • 偏置条件

（1）基极与发射极之间正偏（PN 导通）

（2）基极与集电结之间反偏（放大状态），

• • 三极管结构特点

（1）发射区高浓度掺杂

（2）基区低浓度掺杂，基区很薄

（3）集电区掺杂低于发射区，但高于基区；集电区的面积很大。

       根据以上的条件和结构特点，三极管的各个区的电流分析如下：

• • 发射区电流公式

由于基极对发射极正偏，基区掺杂浓度很低，又很薄，而发射区掺杂浓度很高，因此发射区有大量的电子（多子）在正向偏压下通过扩散流向基区，该多子形成的电流用I_EN表示。同时基区为P型半导体，有空穴扩散流向发射区，用_IEP表示。因此

                        I_E=I_EN+I_EP                        （1）

式（1）中由于基区掺杂浓度低，基区又很薄，因此电流I_EP很小，多数情况下可以忽略，因此发射区的电流可以近似用I_EN表示。

I_E ≅ I_EN                                （2）

• • 基区电流公式

由于基区掺杂浓度低而且很薄，从发射区通过扩散而来的电子只有一小部分在基区通过与空穴复合产生电流形成I_BN，由于基区对发射区是正偏，因此在VBB的作用下，电子与空穴的复合重复持续的进行，形成稳定的I_BN （相对稳定，，受温度、关照以及V_BB变化的影响）；同时基区的空穴通过扩散移动到发射区形成I_EP。由于集电极对于基区反偏，因此对于集电区和基区之间有平衡少子的漂移运动（电子由基区流向集电极，空穴由集电极流向基区）形成的电流I_CBO，I_CBO的方向与空穴的移动方向一致，从集电区流向基区，最终流向基极。因此基极的总电流为：

              I_B= I_BN+I_EP-I_CBO    =  I’_B-I_CBO       （3）

注： I_CBO与基区和发射区的正偏无关，只与集电区和基区的反偏电压有关，类似PN结的反向电流，但会受温度，光照等环境影响。

• • 集电区电流公式

由于集电结反偏、基区掺杂浓度低、基区很薄、集电区与基区的接触面积很大，因此扩散到基区的电子与基区空穴复合的机率较低，绝大多数的电子被反偏的集电区电压拉向集电区，形成集电区电流的主要部分I_CN。同时集电区与基区由于反偏形成漂移电流I_CBO。因此集电极总电流为：

                I_C =I_CN+I_CBO                                （4）

   4.  三极管基极、集电极、发射极电流之间的关系

一旦三极管的结构固定，环境稳定，V_BB，V_CC，R_B，R_C确定的情况下 ，I_B、I_C、I_E 也相对确定下来。   从图7可以看出， I_EN=I_BN+I_CN，因此    I_B、I_C、I_E的关系如下：

I_E= I_BN+I_CN+ IEP= I_CN+I_CBO+I_BN+I_EP-I_CBO=I_C+I_B          (5)

从式（5）可以看出发射极电流等于基极电流与集电极电流之和，这与从三极管外部采用基尔霍夫节点电流定理一致。

 

思考及练习题：

（1）NPN三极管的基区为什么要做的很薄？

（2）为什么NPN三极管的基区掺杂浓度很低？其意义何在？

（3）为什么NPN三极管的发射区掺杂浓度最高？

（4）为什么NPN三极管的基区与集电区的接触面积很大？

（5）NPN三极管的基极也射极正偏，集电极与基极反偏有何意义？

（6） NPN三极管的射极与集电极是否可以交换使用？