双极性晶体管简介

什么是双极性晶体管

双极性晶体管（英语：bipolar transistor），全称双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极管，是一种具有三个终端的电子器件。这种晶体管的工作，同时涉及电子和空穴两种载流子的流动，因此它被称为双极性的，所以也称双极性载子晶体管。这种工作方式与诸如场效应管的单极性晶体管不同，后者的工作方式仅涉及单一种类载流子的漂移作用。两种不同掺杂物聚集区域之间的边界由PN结形成。


图一：双极性晶体管

双极性晶体管基本原理

NPN型双极性晶体管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在双极性晶体管的正常工作状态下，基极-发射极结（称这个PN结为“发射结”）处于正向偏置状态，而基极-集电极（称这个PN结为“集电结”）则处于反向偏置状态。[4]:29-30在没有外加电压时，发射结N区的电子（这一区域的多数载流子）浓度大于P区的电子浓度，部分电子将扩散到P区。同理，P区的部分空穴也将扩散到N区。这样，发射结上将形成一个空间电荷区（也称为耗尽层），产生一个内在的电场，其方向由N区指向P区，这个电场将阻碍上述扩散过程的进一步发生，从而达成动态平衡。[12]:161-162这时，如果把一个正向电压施加在发射结上，上述载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破，这样会使热激发电子注入基极区域。在NPN型晶体管里，基区为P型掺杂，这里空穴为多数掺杂物质，因此在这区域电子被称为“少数载流子”。


图二：双极性晶体管基本原理图

从发射极被注入到基极区域的电子，一方面与这里的多数载流子空穴发生复合，另一方面，由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄，并且集电结处于反向偏置状态，大部分电子将通过漂移运动抵达集电极区域，形成集电极电流。[3]:35为了尽量缓解电子在到达集电结之前发生的复合，晶体管的基极区域必须制造得足够薄，以至于载流子扩散所需的时间短于半导体少数载流子的寿命，同时，基极的厚度必须远小于电子的扩散长度（diffusion length，参见菲克定律）。在现代的双极性晶体管中，基极区域厚度的典型值为十分之几微米。[13]:347需要注意的是，集电极、发射极虽然都是N型掺杂，但是二者掺杂程度、物理属性并不相同，因此必须将双极性晶体管与两个相反方向二极管串联在一起的形式区分开来。

双极性晶体管VS MOSFET

1)对于MOSFET来说, BVDSS（漏源击穿电压）在400V~1000V而言,到80年代末,已经基本发展到极至,目前已经缺乏技术飞跃的可能性,Rds(ON)的改善,往往仅靠早期的大封装（诸如TO-220,D-Pack等）增大硅晶片的面积来达到;我们知道PLANER技术的缺点就是Rds(ON)的迅速上升,Rds(ON)∝BV2.6,功耗增大,这成为MOSFET向高压发展的瓶颈。

2)而对双极性晶体管来说,由于采用的是少子的PLANER导电,相对MOSFET来说,做到高压容易多了。尤其是作为饱和开关的时候,集电极区阻抗的电导调制效应,极大的降低了Rce(sat),而MOSFET没有类似的电导调制效应。Rce(sat)∝BV2，图三所示：


图三：ZETEX 3rd 晶体管的Rce(on) vs BV