双极型晶体管是电流控件「双极型半导体器件」

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首先，让我首先说明双极晶体管操作的讨论不会受到双极晶体管是电流控制器件的普遍误解的影响。本文将解释它们实际上是电压控制器件。它们的基极 - 发射极电压控制操作的一个结果是基极和集电极电流之间存在固定的比率，并且该比率或电流增益β（β）通常用于设置偏置点，这导致误认为基极电流以某种方式控制集电极电流。

图1、双极晶体管的俯视图

双极晶体管的顶视图，如同俯视MMIC晶圆的表面，如图1所示。电流向下流过发射极然后侧横向到集电极触点。HBT的扫描电子显微镜（SEM）照片如图2所示。

图2 HBT的SEM照片

图1中双极晶体管的截面图“BB”如图2所示。双极晶体管之所以被称为是因为它们是由两种极性的掺杂半导体形成的，n型（负电荷为“n”），掺杂有额外的电子用于通过电流，p型（“p”用于表示正电荷） ，掺杂有额外的质子用于通过电流。它们通常被构造为掺杂半导体的三个水平层，如图2中所示的NPN结构所示，并且电流路径主要是垂直穿过层的。此示例绘制为对称器件，发射极触点两侧有基极和集电极触点。

图3、 在基极 - 发射极结上具有零偏压的NPN双极晶体管

基极 - 发射极结处的零电压偏置。在NPN双极晶体管中，发射极层通常比基极层更重掺杂。在基极 - 发射极PN结处，n发射极中存在大量备用电子，因此这些电子扩散到P基极中，抵消了结点附近的空穴（称为扩散电流）。在电子离开发射极区域并且在基极区域中空穴被消除的情况下，不再有任何自由电荷来传导电流（即，该结区域自由载流子被耗尽并且被称为耗尽区域） 。这在结的发射极侧留下暴露的带正电的施主原子，并在结的基极侧暴露出带负电的受主原子。这些暴露的电荷原子产生一个具有从基极到发射极的极性的电场（称为结电势，VJBE），有效地迫使电子从基极到发射极，称为漂移电流。当结电势增加到其产生的漂移电流与扩散电流相同且相反的水平时达到平衡，因此，结果是没有电流通过PN结。平衡时的内置结电势是两种半导体中掺杂浓度的函数，但是对于硅晶体管而言通常为 0.7V。

基极漏电流。在基极 - 集电极PN结处，耗尽区以相同的方式形成从基极到集电极的极性结，其迫使（或漂移）电子从基极到集电极。如果是正集电极偏置电压施加在集电极和发射极之间，这会从基极 - 集电极结吸收更多电子，并增加该结耗尽区的厚度，直到基极 - 集电极耗尽区（VJBC）上的电压与施加的偏压相同。该电路中唯一的电流是基极中少数载流子电子的小漏电流，在该基极 - 集电极结上漂移到集电极中。在基极 - 发射极结上具有零或反向偏压的双极晶体管处于其“关断”状态。

反向偏置的基极 - 发射极结。如果向基极 - 发射极结施加负偏压，如图3所示，则从发射极引出电子，从基极引出空穴，加宽基极 - 发射极耗尽区。唯一的电流将是在基极 - 发射极结上漂移的基极中的少数载流子电子的小漏电流。

前向偏置的基极 - 发射极结。如果对基极 - 发射极结施加小的正偏压，如图4所示，这种极性实际上与基极 - 发射极结电势相反并降低其值。这使得耗尽区更薄，并且更多的电子可以扩散到基极中。另一种观察方式是发射极上的负偏压电势将电子推向更靠近结点，而基极上的正电荷将空穴推向结点，使耗尽层变薄。

图4、 在基极 - 发射极结上具有反向偏压的NPN双极晶体管

现在有一团电子云扩散到基层，它是两种方式之一。有些漂移到基极集电极的顶部耗尽区，在那里经历大电场力，并被拉入集电极。其他的与基极中的空穴重新组合，并形成电流，其低基极电压侧向于基极触点。基极层有意设计成薄的，以便发射极结的大部分电子穿过基极直接扩散流入集电极。与遇到空穴和重新组合相比，集电极电流与基极电流的比率与扩散电子满足基极 - 集电极结区域的概率成比例。该比率由层的尺寸，接触面积和半导体的掺杂来确定，并且给出称为β（β）的双极晶体管的恒定电流增益。Si双极性晶体管的β的常见值在50到100之间。

图5、 基极 - 发射极结正向偏压0.5V的NPN双极晶体管

增加正向偏置电压到基极 - 发射极结继续使基极 - 发射极结耗尽区变薄，直到它完全消失（对于硅来说，在VBE约为-0.7V），如图2.14所示。在这些偏置条件下，非常大量的电子可以穿过基极区域并被扫入集电极，从发射极到集电极产生大的正向电流。这时双极性晶体管处于完全“导通”状态。

总之，基极 - 发射极电压控制基极 - 发射极结耗尽区的宽度，进而控制可扩散到基极中的电子数量。基极的物理尺寸和掺杂确定了基极中电子流出基极端子或流出集电极的比率，得到相对固定的电流增益β。

图6、 基极 - 发射极结正向偏置电压大于0.7V的NPN双极晶体管

反向偏置和完全正向偏置的基极 - 发射极结情况是基极偏置的两个极端，但双极型晶体管可以偏置在两者之间的任何基极偏置电压上。与FET类似，双极型晶体管往往偏向其特性的中间，在其中它是最线性的。对于Si双型晶体管，基极偏置电压通常在0V和 1.0V之间，集电极 - 发射极电压（VCC）通常在 5V和 10V之间。因为基极和集电极电流通过比β（β）彼此成比例，所以它们经常被偏置以给出设定的基极电流，这又提供了固定的集电极电流。图7显示了几种不同基极偏置电流的集电极电流与集电极电压（I / V）的关系图。负载线显示当基极电流变化时集电极电流如何摆动。

图7、双极型晶体管的I / V特性曲线，显示典型的偏置点和负载线

在前向有源区域，集电极电压不足以将到达基极区域的所有发射极扩散电子扫描到集电极中，因此它们挤压基极并阻止更多的电子进入，从而使电流大致与集电极成比例电压。当集电极电压足够高时（通常是基极 - 发射极电压的两倍），漂移到基极中的大部分电子被扫入集电极，并且对于固定的基极电流（实际上是固定基准电压VBE）集电极电流保持在几乎恒定的水平。该饱和区的斜率不是很平坦，因为当集电极电压增加时，耗尽区为集电极 - 基极结变宽，其边界进一步进入基极，有效地减薄基极层并捕获更多的扩散电子并将它们吸引到集电极中（相当于β略微增加）。饱和区域的这种倾斜称为早期效应（ Early effect），如果斜率外推到零电流轴（很好地进入负电压值），它穿过的电压称为早期电压（ Early voltage）。Early电压的较大负值表示更线性的器件，因为斜率更浅。