晶體三極管結構及其工作原理詳解

發布時間：2022-11-03作者來源：薩科微瀏覽：4418

晶體三極管基本概述

晶體管是一種與其他電路元件結合使用時可產生電流增益、電壓增益和信號功率增益的多結半導體器件。因此，晶體管稱為有源器件，而二極管稱為無源器件。晶體管的基本工作方式是在其兩端施加電壓時控制另一端的電流。

晶體管兩種主要類型：雙極型晶體管(BJT)和場效應管(FET)。雙極晶體管（Bipolar Junction Transistor-BJT)作為兩種主要類型的晶體管之一，又稱為半導體三極管、晶體三極管，簡稱晶體管。它由兩個PN結組合而成，有兩種載流子參與導電是一種電流控制電流源器件。晶體三極管主要應用于檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制和許多其它功能。

晶體三極管的分類

按照晶體三極管擴散區半導體材料不同，可分為NPN型晶體三極管和PNP型晶體三極管，如圖1所示。晶體三極管有三個摻雜不同的擴散區和兩個PN結，三端分別稱為發射極E(Emitter)、基極B(Base)和集電極C(Collector)。發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結，而集電區與基區形成的PN結稱為集電結。晶體管電路符號中的箭頭方向代表PN結的方向(即發射極的電流方向)。

晶體三極管結構圖解

(以NPN型晶體管為例)

采用平面工藝制成NPN型硅材料晶體三極管的結構如圖2所示。器件的最底層為高摻雜的N型硅片為襯底層，然后生長出低摻雜的N型外延層，經過一次氧化在外延層上生長出SiO2氧化層。一次光刻在SiO2氧化層光刻出硼擴基區，之后進行硼擴散，一般分為兩步擴散：預先沉積和再分布擴散。在硼擴散形成晶體三極管的P型基區之后，進行二次光刻和磷擴散形成高摻雜的N型發射區。最后光刻出引線孔，經過金屬化(Al)和反刻引出基極和發射極，最后背面合金形成集電極。

晶體三極管位于中間的P區域稱為基區，其區域很薄且雜質濃度很低；位于上層的N+區為發射區，摻雜濃度很高；位于下層的N和N+兩種摻雜的N區是集電區，面積很大。因此晶體三極管為非對稱器件且器件的外特性與三個區域的上述特點緊密相關。

晶體三極管工作原理詳解

(以NPN型晶體管為例)

根據晶體三極管的集電結和發射結的偏置情況，NPN型晶體三極管具有4種工作區間，如表1所示。

正向放大區（或簡稱放大區）：當發射結正向偏置，集電結反向偏置時，晶體管工作在放大區。大多數雙極性晶體管的設計目標，是為了在正向放大區得到[敏感詞]的共射極電流增益。晶體管工作在這一區域時，集電極-發射極電流與基極電流近似成線性關系。由于電流增益的緣故，當基極電流發生微小的擾動時，集電極-發射極電流將產生較為顯著變化。
反向放大區：當發射結反向偏置，集電結正向偏置時，晶體管工作在反向放大區。此時發射區和集電區的作用與正向放大區正好相反，但由于集電區的摻雜濃度低于發射區，反向放大區產生的放大效果小于正向放大區。而大多數雙極性晶體管的設計目標是盡可能得到[敏感詞]正向放大電流增益，因此在實際這種工作模式幾乎不被采用。

飽和區：當發射結和集電結均為正向偏置時，晶體管工作在飽和區。此時晶體管發射極到集電極的電流達到[敏感詞]值。即使增加基極電流，輸出的電流也不會再增加。飽和區可以在邏輯器件中用來表示高電平。
截止區：當發射結和集電結均為反向偏置時，晶體管工作在截止區。在這種工作模式下，輸出電流非常小(小功率的硅晶體管小于1微安，鍺晶體管小于幾十微安)，在邏輯器件中可以用來表示低電平。