雙極晶體管

??? 雙極型晶體管內(nèi)部電流由兩種載流子形成，它是利用電流來控制。場(chǎng)效應(yīng)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(hào)源取極小量電流的情況下，應(yīng)該選用場(chǎng)效應(yīng)管。而在允許取一定量電流時(shí)，選用晶體管進(jìn)行放大，可以得到比場(chǎng)效應(yīng)管高的電壓放大倍數(shù)。

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(hào)，幾乎所有的電路都以某種方式要求放大信號(hào)。一種能放大信號(hào)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(jié)構(gòu)圖。每個(gè)晶體管有3個(gè)半導(dǎo)體區(qū)，他們分別是發(fā)射極，基極和集電極。基極總是夾在發(fā)射極和集電極之間。NPN管由N型的發(fā)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(fā)射極，N型的基極和P型的集電極組成。在這些簡(jiǎn)圖中，晶體管的每個(gè)區(qū)都是均勻摻雜的矩形硅。現(xiàn)代的雙極型晶體管稍微有點(diǎn)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(hào)。發(fā)射極上的箭頭表明了發(fā)射極－基極結(jié)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(jié)，但在集電極上沒有標(biāo)上箭頭。在圖1簡(jiǎn)化的晶體管中，發(fā)射極－基極結(jié)和集電極－基極結(jié)看上去是一樣的。看上去把集電極和發(fā)射極對(duì)調(diào)對(duì)器件沒有什么影響。實(shí)際上，這兩個(gè)結(jié)有不同的摻雜屬性和幾何形狀，所以不能對(duì)調(diào)。發(fā)射極靠箭頭和集電極區(qū)分開來。

雙極型晶體管能看成是兩個(gè)背靠背連起來的PN結(jié)。晶體管的基極區(qū)非常的薄（大約1－12μm）。由于兩個(gè)結(jié)靠的非常近，載流子能在復(fù)合前從一個(gè)結(jié)擴(kuò)散到另一個(gè)結(jié)。因此一個(gè)結(jié)的導(dǎo)通對(duì)另一個(gè)結(jié)也有影響。

圖2（A）中是一個(gè)基極－發(fā)射極零偏置，基極－集電極5伏偏置的NPN晶體管。由于沒有結(jié)是正向偏置，所以晶體管的三端都只有很小的電流。兩個(gè)結(jié)都反向偏置的晶體管稱為cutoff狀態(tài)。圖2（B）中有10微安的電流注入基極。這個(gè)電流使得基極－發(fā)射極正向偏置了約0.65伏。這時(shí)雖然基極－集電極還是反向偏置狀態(tài)，但有一個(gè)是基極電流100倍的集電極電流流過基極－集電極結(jié)。這個(gè)電流是正向偏置的基極－發(fā)射極結(jié)和反向偏置的基極－集電極結(jié)相互作用的結(jié)果。處于這種偏置狀態(tài)的晶體管，它被稱為在forward active區(qū)。如果發(fā)射極和集電極相互對(duì)調(diào)，基極－發(fā)射極變成反向偏置，基極－集電極正向偏置，這個(gè)晶體管稱為在reverse active區(qū)。實(shí)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(jié)。只要基極－發(fā)射極變成正向偏置，馬上就有載流子流過這個(gè)結(jié)。流過這個(gè)結(jié)的大多數(shù)電流是由重?fù)诫s的發(fā)射極注入輕摻雜的基極的電子。大多數(shù)電子在他們復(fù)合前就擴(kuò)散通過了很窄的基極區(qū)。因?yàn)榛鶚O－集電極是反向偏置的，所以只有很少的多數(shù)載流子能從基極流到集電極。同樣的，這個(gè)阻止多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)幫助少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)。在基極里，電子是少數(shù)載流子，所以他們都穿過了反向偏置的基極－集電極結(jié)進(jìn)入集電極。在集電極里，他們又成了多數(shù)載流子，往集電極的引線端運(yùn)動(dòng)。所以集電極的電流里主要是順利的從發(fā)射極來到集電極而沒有在基極復(fù)合的電子。

有些注入到基極的電子也確實(shí)沒有到達(dá)集電極。那些沒有到達(dá)集電極的電子在基極中復(fù)合了。基極的復(fù)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(fā)射極，但他們都很快的復(fù)合了。這些空穴就是基極引線端電流的第2個(gè)來源。這些復(fù)合的過程通常消耗不超過1％的發(fā)射極電流，所以只需要一個(gè)很小的基極電流就能維持基極－發(fā)射極的正向偏置。

雙極晶體管的改進(jìn)技術(shù)
設(shè)計(jì)進(jìn)步及封裝技術(shù)的改進(jìn)使開發(fā)優(yōu)化的分立半導(dǎo)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(dāng)今電子產(chǎn)品在散熱、效率、空間占用和成本方面的高要求，對(duì)于便攜式電池供電設(shè)備（如筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)）及汽車中的負(fù)載切換和電源系統(tǒng)，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(yīng)用預(yù)先確定的，因此，器件生產(chǎn)商要想降低晶體管損耗惟一的選擇是降低集電極-發(fā)射極飽和電壓VCEsat。低VCEsat晶體管的出現(xiàn)主要?dú)w功于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)射極技術(shù)的應(yīng)用。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)射極（mesh-EMItter）設(shè)計(jì)將發(fā)射極區(qū)域擴(kuò)展到更大面積的區(qū)域，同時(shí)使其以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與基極接觸，因此可降低發(fā)射極串聯(lián)電阻。這樣做的結(jié)果是基極驅(qū)動(dòng)更為平均，從而可更有效地利用裸片上的發(fā)射極有源區(qū)域，并進(jìn)而大大降低集電極-發(fā)射極飽和電壓（如圖4所示）。

在相應(yīng)的封裝所允許的限制內(nèi)盡量增大裸片面積可以進(jìn)一步降低器件的損耗。圖5說明開發(fā)并應(yīng)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(dāng)
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(duì)于傳統(tǒng)晶體管設(shè)計(jì)，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(jìn)一步小型化的努力。例如，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)射極技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)可以在SOT23封裝中提供集電極電流大于2A的晶體管。因此，網(wǎng)狀發(fā)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(dāng)、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(fā)射極飽和電壓曲線如圖6。在集電極電流為1A時(shí)，網(wǎng)狀發(fā)射極晶體管的飽和電壓要比傳統(tǒng)晶體管低約40%～50%，而驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單的負(fù)載切換（低端開關(guān)）應(yīng)用實(shí)例可以很好地體現(xiàn)出更高的效率、更低的溫升以及更高的可用輸出電壓等優(yōu)點(diǎn)。供電電壓VCC為3.3V，負(fù)載電流VLoad=IC=2A。對(duì)比采用SOT223封裝的傳統(tǒng)中功率晶體管BDP31和采用SOT23封裝的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)射極晶體管PBSS4320T。溫升△T可以利用總功耗Ptot和溫阻Rth計(jì)算。計(jì)算結(jié)果對(duì)BDP31為128K，對(duì)BISS晶體管PBSS4320T為109K（安裝在1cm2的集電極焊盤上）。

對(duì)于許多應(yīng)用，可用輸出電壓VLoad應(yīng)當(dāng)盡可能接近供電電壓（即電壓差應(yīng)當(dāng)盡可能小）。VLoad等于供電電壓VCC和集電極-發(fā)射極飽和電壓VCEsat的差，對(duì)于BDP31為2.6V，與此相比，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)射極晶體管PBSS4320T為3.1V。效率η等于負(fù)載功率PLoad和供電功率PSupply的比值。利用標(biāo)準(zhǔn)晶體管BDP31只能獲得79%的電路效率，而利用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)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(biāo)準(zhǔn)中功率晶體管，電路效率可大大提高，可用負(fù)載電壓提高，更接近電源滿幅電壓，而溫升也會(huì)更低。