晶体管的基本概述

晶体管是一种多结半导体器件，当与其他电路元件结合使用时，可以产生电流增益、电压增益和信号功率增益。所以晶体管叫有源器件，二极管叫无源器件。晶体管的基本工作模式是在两端施加电压时，控制另一端的电流。有两种主要类型的晶体管：双极晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)。双极结型晶体管short，作为晶体管的两大主要类型之一，也简称半导体晶体管和晶体管。它是一种电流控制的电流源器件，由两个PN结组成，两种载流子参与导通。晶体管主要用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。

晶体管的分类

根据晶体管扩散区半导体材料的不同，可分为NPN晶体管和PNP晶体管，如图1所示。晶体管有三个不同掺杂的扩散区和两个PN结，其三个端子分别称为发射极E(发射极)、基极B(基极)和集电极C(集电极)。发射极区和基极区之间形成的PN结称为发射极结，集电极区和基极区之间形成的PN结称为集电极结。晶体管符号中的箭头方向代表PN结的方向(即发射极的电流方向)。

晶体管结构示意图(以NPN晶体管为例)

用平面工艺制作的NPN硅晶体管的结构如图2所示。该器件的底层是高掺杂N型硅片作为衬底层，然后生长低掺杂N型外延层，在外延层上通过一次氧化生长二氧化硅层。在二氧化硅氧化层上一次光刻出硼扩散区，然后进行硼扩散，一般分为预沉积和再分布扩散两步。在硼扩散形成晶体管的P型基极区之后，进行二次光刻和磷扩散以形成高掺杂的N型发射极区。最后光刻引线孔，通过金属化(Al)和反蚀刻引出基极和发射极，最后背面合金形成集电极。

晶体管中间的P区称为基区，它的区域很薄，杂质浓度很低。位于上层的N区是高掺杂浓度的发射极区；位于下层的N和N掺杂的N区是具有大面积的集电极区。所以晶体管是非对称器件，器件的外特性与三个区域的上述特性密切相关。

晶体管工作原理详解(以NPN晶体管为例)

根据晶体管集电极结和发射极结的偏置，NPN晶体管有四个工作范围，如表1所示。

正向放大区(或简称放大区):当发射极结正向偏置，集电极结反向偏置时，晶体管工作在放大区。大多数双极性晶体管的设计目标是在正向放大区获得最大的共发射极电流增益。当晶体管工作在这个区域时，集电极-发射极电流与基极电流近似成线性关系。由于电流增益的原因，当基极电流受到轻微扰动时，集电极-发射极电流会发生显著变化。

反向放大区：当发射极结反向偏置，集电极结正向偏置时，晶体管工作在反向放大区。此时，发射区和收集区的作用正好与正向放大区相反，但由于收集区的掺杂浓度低于发射区，反向放大区的放大效果小于正向放大区。而大部分双极型晶体管的设计目标是尽可能获得最大的正向放大电流增益，因此这种工作模式在实际中几乎不被采用。

饱和区：当发射极结和集电极结都正向偏置时，晶体管工作在饱和区。这时，电流从晶体管的发射极流向集电极

晶体管的放大表明，小基极电流可以控制大集电极电流。如下图3所示，从晶体内部载流子的运动与外部电流的关系做进一步分析。

直流电压加在结上，扩散运动形成发射极电流IE。

发射极结加直流电压，发射区杂质浓度高，大量自由电子由于扩散运动穿过发射极结到达基区。同时，空穴也从基极区扩散到发射极区。但由于基区杂质浓度低，空穴形成的电流很小，在近似分析中可以忽略。可以看出，扩散运动形成了发射极电流IE。

扩散到基极区的自由电子和空穴的复合运动形成基极电流IB。

由于基区很薄，杂质浓度很低，在集电极结上加反向电压，只有少数扩散到基区的电子与空穴复合，其余的作为基区不平衡的少数载流子到达集电极结。由于电源VBE的作用，电子和空穴的复合运动将持续不断，形成基极电流IB。

集电极结施加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC。

由于施加在集电极结上的反向电压及其较大的结面积，基区中不平衡的少数载流子在外电场的作用下穿过集电极结到达集电极区，形成漂移电流。同时，集电区和基区的平衡少数载流子也参与了漂移运动，但其数量很少，在近似分析中可以忽略不计。可以看出，在集电极电源VCB的作用下，漂移运动形成集电极电流IC。

晶体管特性曲线

晶体管的输入特性曲线如图4所示。当UCE=0时，相当于集电极和发射极之间短路，即发射极结与集电极结并联。因此，输入特性曲线类似于PN结的伏安特性，呈指数关系。当UCE增加时，曲线将向右移动。对于低功率晶体管，一条UCE大于1V的输入特性曲线可以近似所有UCE大于1V的输入特性曲线。晶体管的输出特性曲线如图5所示。对于每个确定的IB，都有一条曲线，即一系列输出特性曲线。截止区：发射极结电压小于导通电压，集电极结反向偏置。放大区：发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。饱和区：发射极结和集电极结都正向偏置。

图像小部件

审计唐子红

标签：电极区电流