雙極晶體管,雙極晶體管是什么意思

雙極晶體管

雙極型晶體管內部電流由兩種載流子形成，它是利用電流來控制。場效應管是電壓控制器件，柵極（G）基本上不取電流，而晶體管的基極總要取一定的電流，所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下，應該選用場效應管。而在允許取一定量電流時，選用晶體管進行放大，可以得到比場效應管高的電壓放大倍數。

雙極型晶體管原理

雖然二極管是很有用的器件，但它不能放大信號，幾乎所有的電路都以某種方式要求放大信號。一種能放大信號的器件就是雙極型晶體管（BJT）。

圖1是兩種雙極型晶體管的結構圖。每個晶體管有3個半導體區，他們分別是發射極，基極和集電極。基極總是夾在發射極和集電極之間。NPN管由N型的發射極，P型的基極和N型的集電極組成。類似的，PNP管由P型的發射極，N型的基極和P型的集電極組成。在這些簡圖中，晶體管的每個區都是均勻摻雜的矩形硅。現代的雙極型晶體管稍微有點不同，但工作原理還是一樣的。

圖1中也畫出了兩種晶體管的電路符號。發射極上的箭頭表明了發射極－基極結正向偏置情況下電流的流向。雖然集電極和基極之間也有結，但在集電極上沒有標上箭頭。在圖1簡化的晶體管中，發射極－基極結和集電極－基極結看上去是一樣的。看上去把集電極和發射極對調對器件沒有什么影響。實際上，這兩個結有不同的摻雜屬性和幾何形狀，所以不能對調。發射極靠箭頭和集電極區分開來。

雙極型晶體管能看成是兩個背靠背連起來的PN結。晶體管的基極區非常的薄（大約1－12μm）。由于兩個結靠的非常近，載流子能在復合前從一個結擴散到另一個結。因此一個結的導通對另一個結也有影響。

圖2（A）中是一個基極－發射極零偏置，基極－集電極5伏偏置的NPN晶體管。由于沒有結是正向偏置，所以晶體管的三端都只有很小的電流。兩個結都反向偏置的晶體管稱為cutoff狀態。圖2（B）中有10微安的電流注入基極。這個電流使得基極－發射極正向偏置了約0.65伏。這時雖然基極－集電極還是反向偏置狀態，但有一個是基極電流100倍的集電極電流流過基極－集電極結。這個電流是正向偏置的基極－發射極結和反向偏置的基極－集電極結相互作用的結果。處于這種偏置狀態的晶體管，它被稱為在forward active區。如果發射極和集電極相互對調，基極－發射極變成反向偏置，基極－集電極正向偏置，這個晶體管稱為在reverse active區。實際上，晶體管很少工作在這種方式下。

圖3解釋了為什么集電極電流能流過反向偏置的結。只要基極－發射極變成正向偏置，馬上就有載流子流過這個結。流過這個結的大多數電流是由重摻雜的發射極注入輕摻雜的基極的電子。大多數電子在他們復合前就擴散通過了很窄的基極區。因為基極－集電極是反向偏置的，所以只有很少的多數載流子能從基極流到集電極。同樣的，這個阻止多數載流子運動的電場幫助少數載流子運動。在基極里，電子是少數載流子，所以他們都穿過了反向偏置的基極－集電極結進入集電極。在集電極里，他們又成了多數載流子，往集電極的引線端運動。所以集電極的電流里主要是順利的從發射極來到集電極而沒有在基極復合的電子。

有些注入到基極的電子也確實沒有到達集電極。那些沒有到達集電極的電子在基極中復合了。基極的復合需要消耗從基極引線端流入的電流里的空穴。也有些空穴從基極注入到了發射極，但他們都很快的復合了。這些空穴就是基極引線端電流的第2個來源。這些復合的過程通常消耗不超過1％的發射極電流，所以只需要一個很小的基極電流就能維持基極－發射極的正向偏置。

雙極晶體管的改進技術

設計進步及封裝技術的改進使開發優化的分立半導體器件成為可能，例如低飽和電壓晶體管及超低正向壓降肖特基整流二極管。此類新器件可滿足當今電子產品在散熱、效率、空間占用和成本方面的高要求，對于便攜式電池供電設備（如筆記本電腦、數碼相機）及汽車中的負載切換和電源系統，此類新器件是首選的解決方案。

集電極功耗PC=VCEsat×IC是雙極晶體管損耗的重要來源。由于集電極電流IC是由應用預先確定的，因此，器件生產商要想降低晶體管損耗惟一的選擇是降低集電極-發射極飽和電壓VCEsat。低VCEsat晶體管的出現主要歸功于網狀結構發射極技術的應用。

網狀結構發射極（mesh-emitter）設計將發射極區域擴展到更大面積的區域，同時使其以網狀結構與基極接觸，因此可降低發射極串聯電阻。這樣做的結果是基極驅動更為平均，從而可更有效地利用裸片上的發射極有源區域，并進而大大降低集電極-發射極飽和電壓（如圖4所示）。

在相應的封裝所允許的限制內盡量增大裸片面積可以進一步降低器件的損耗。圖5說明開發并應用新的引線框架和6引腳封裝（如SOT457）還可改善器件的散熱情況。

與中功率晶體管性能相當

由于晶體管的總成本受封裝成本的影響很大，因此，采用SOT23封裝的晶體管要比采用較大的SOT223封裝的晶體管的成本低得多。

對于傳統晶體管設計，通常是所需要的集電極電流限制了裸片尺寸，從而限制了進一步小型化的努力。例如，采用傳統設計，集電極電流>0.5A的晶體管無法采用SOT23封裝。另一方面，如果采用網狀結構發射極技術，現在已經可以在SOT23封裝中提供集電極電流大于2A的晶體管。因此，網狀發射極晶體管（SOT23）可以用來代替更大的SOT223封裝晶體管，并且提供相當、甚至更好的特性。BISS晶體管PBSS4350T和PBSS4320T以及中功率晶體管BDP31。

三種晶體管的集電極-發射極飽和電壓曲線如圖6。在集電極電流為1A時，網狀發射極晶體管的飽和電壓要比傳統晶體管低約40%～50%，而驅動電流僅為50mA（IC/IB=20），比100mA（IC/IB=10）也低得多。與SOT223封裝晶體管相比，SOT23晶體管需要的電路板空間少20%。安裝在陶瓷襯底上，SOT23封裝晶體管的功耗甚至可提高到625mW。因此適合替代最大功耗600mW（集電極散熱器面積1cm2）的6引腳晶體管（如SOT457）。

簡單的負載切換（低端開關）應用實例可以很好地體現出更高的效率、更低的溫升以及更高的可用輸出電壓等優點。供電電壓VCC為3.3V，負載電流VLoad=IC=2A。對比采用SOT223封裝的傳統中功率晶體管BDP31和采用SOT23封裝的網狀結構發射極晶體管PBSS4320T。溫升△T可以利用總功耗Ptot和溫阻Rth計算。計算結果對BDP31為128K，對BISS晶體管PBSS4320T為109K（安裝在1cm2的集電極焊盤上）。

對于許多應用，可用輸出電壓VLoad應當盡可能接近供電電壓（即電壓差應當盡可能小）。VLoad等于供電電壓VCC和集電極-發射極飽和電壓VCEsat的差，對于BDP31為2.6V，與此相比，網狀結構發射極晶體管PBSS4320T為3.1V。效率η等于負載功率PLoad和供電功率PSupply的比值。利用標準晶體管BDP31只能獲得79%的電路效率，而利用網狀結構發射極晶體管PBSS4320T，電路效率可提高到94%。總而言之，采用SOT23 BISS晶體管來代替較大的SOT223封裝標準中功率晶體管，電路效率可大大提高，可用負載電壓提高，更接近電源滿幅電壓，而溫升也會更低。