三極管定義

　　三極管，全稱應為半導體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號， 也用作無觸點開關。晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區，兩側部分是發射區和集電區，排列方式有PNP和NPN兩種。

　　三極管參數

　　特征頻率fT：

　　當f= fT時，三極管完全失去電流放大功能。如果工作頻率大于fT，電路將不正常工作.fT稱作增益帶寬積，即fT=βfo。若已知當前三極管的工作頻率fo以及高頻電流放大倍數，便可得出特征頻率fT。隨著工作頻率的升高，放大倍數會下降．fT也可以定義為β=1時的頻率．

　　電壓/電流

　　用這個參數可以指定該管的電壓電流使用范圍。

　　hFE

　　電流放大倍數。

　　VCEO

　　集電極發射極反向擊穿電壓，表示臨界飽和時的飽和電壓。

　　PCM

　　最大允許耗散功率。

　　封裝形式指定該管的外觀形狀，如果其它參數都正確，封裝不同將導致組件無法在電路板上實現。

　　三極管結構與原理：

　　三極管的基本結構是兩個反向連結的pn接面，如圖1所示，可有pnp和npn兩種組合。三個接出來的端點依序稱為射極（emitter， E）、基極（base， B）和集極（collector， C），名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關。圖中也顯示出npn與pnp三極管的電路符號，射極特別被標出，箭號所指的極為n型半導體，和二極體的符號一致。在沒接外加偏壓時，兩個pn接面都會形成耗盡區，將中性的p型區和n型區隔開。

　　圖1 pnp（a）與npn（b）三極管的結構示意圖與電路符號

　　三極管的電特性和兩個pn接面的偏壓有關，工作區間也依偏壓方式來分類，這里我們先討論最常用的所謂”正向活性區”（forward active），在此區EB極間的pn接面維持在正向偏壓，而BC極間的pn接面則在反向偏壓，通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。圖2（a）為一pnp三極管在此偏壓區的示意圖。 EB接面的空乏區由于在正向偏壓會變窄，載體看到的位障變小，射極的電洞會注入到基極，基極的電子也會注入到射極；而BC接面的耗盡區則會變寬，載體看到的位障變大，故本身是不導通的。圖2（b）畫的是沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區兩種情形下，電洞和電子的電位能的分布圖。

　　三極管和兩個反向相接的pn二極管有什么差別呢？其間最大的不同部分就在于三極管的兩個接面相當接近。以上述之偏壓在正向活性區之pnp三極管為例，射極的電洞注入基極的n型中性區，馬上被多數載體電子包圍遮蔽，然后朝集電極方向擴散，同時也被電子復合。當沒有被復合的電洞到達BC接面的耗盡區時，會被此區內的電場加速掃入集電極，電洞在集電極中為多數載體，很快藉由漂移電流到達連結外部的歐姆接點，形成集電極電流IC。 IC的大小和BC間反向偏壓的大小關系不大。基極外部僅需提供與注入電洞復合部分的電子流IBrec，與由基極注入射極的電子流InB？ E（這部分是三極管作用不需要的部分）。 InB？ E在射極與與電洞復合，即InB？ E=IErec。pnp三極管在正向活性區時主要的電流種類可以清楚地在圖3（a）中看出。

　　圖2 （a）一pnp三極管偏壓在正向活性區；（b）沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區兩種情形下，電洞和電子的電位能的分布圖比較。

　　圖3 （a） pnp三極管在正向活性區時主要的電流種類；（b）電洞電位能分布及注入的情形；（c）電子的電位能分布及注入的情形。

　　一般三極管設計時，射極的摻雜濃度較基極的高許多，如此由射極注入基極 的射極主要載體電洞（也就是基極的少數載體）IpE？ B電流會比由基極注入射極 的載體電子電流InB？ E大很多，三極管的效益比較高。圖3（b）和（c）個別畫出電洞 和電子的電位能分布及載體注入的情形。同時如果基極中性區的寬度WB愈窄， 電洞通過基極的時間愈短，被多數載體電子復合的機率愈低，到達集電極的有效電 洞流IpE？ C愈大，基極必須提供的復合電子流也降低，三極管的效益也就愈高。 集電極的摻雜通常最低，如此可增大CB極的崩潰電壓，并減小BC間反向偏壓的 pn接面的反向飽和電流，這里我們忽略這個反向飽和電流。 由圖4（a），我們可以把各種電流的關系寫下來： 射極電流 基極電流 集電極電流。

　　如何提高三極管的開關速度？

　　晶體管的開關速度即由其開關時間來表征，開關時間越短，開關速度就越快。BJT的開關過程包含有開啟和關斷兩個過程，相應地就有開啟時間ton和關斷時間toff，晶體管的總開關時間就是ton與toff之和。

　　如何提高晶體管的開關速度？——可以從器件設計和使用技術兩個方面來加以考慮。

　　（1）晶體管的開關時間

　　晶體管的開關波形如圖1所示。其中開啟過程又分為延遲和上升兩個過程，關斷過程又分為存儲和下降兩個過程，則晶體管總的開關時間共有4個：延遲時間td，上升時間tr，存儲時間ts和下降時間tf；

　　ton=td+tr， toff=ts+tf

　　在不考慮晶體管的管殼電容、布線電容等所引起的附加電容的影響時，晶體管的開關時間就主要決定于其本身的結構、材料和使用條件。

　　① 延遲時間td ：

　　延遲時間主要是對發射結和集電結勢壘電容充電的時間常數。因此，減短延遲時間的主要措施，從器件設計來說，有如：減小發射結和集電結的面積（以減小勢壘電容）和減小基極反向偏壓的大小（以使得發射結能夠盡快能進入正偏而開啟晶體管）；而從晶體管使用來說，可以增大輸入基極電流脈沖的幅度，以加快對結電容的充電速度（但如果該基極電流太大，則將使晶體管在導通后的飽和深度增加，這反而又會增長存儲時間，所以需要適當選取）。

　　② 上升時間tr ：

　　上升導通時間是基區少子電荷積累到一定程度、導致晶體管達到臨界飽和（即使集電結0偏）時所需要的時間。因此，減短上升時間的主要措施，從器件設計來說有如：增長基區的少子壽命（以使少子積累加快），減小基區寬度和減小結面積（以減小臨界飽和時的基區少子電荷量），以及提高晶體管的特征頻率fT（以在基區盡快建立起一定的少子濃度梯度，使集電極電流達到飽和）；而從晶體管使用來說，可以增大基極輸入電流脈沖的幅度，以加快向基區注入少子的速度（但基極電流也不能過大，否則將使存儲時間延長）。

　　③ 存儲時間ts ：

　　存儲時間就是晶體管從過飽和狀態（集電結正偏的狀態）退出到臨界飽和狀態（集電結0偏的狀態）所需要的時間，也就是基區和集電區中的過量存儲電荷消失的時間；。而這些過量少子存儲電荷的消失主要是依靠復合作用來完成，所以從器件設計來說，減短存儲時間的主要措施有如：在集電區摻Au等來減短集電區的少子壽命（以減少集電區的過量存儲電荷和加速過量存儲電荷的消失；但是基區少子壽命不能減得太短，否則會影響到電流放大系數），盡可能減小外延層厚度（以減少集電區的過量存儲電荷）。而從晶體管使用來說，減短存儲時間的主要措施有如：基極輸入電流脈沖的幅度不要過大（以避免晶體管飽和太深，使得過量存儲電荷減少），增大基極抽取電流（以加快過量存儲電荷的消失速度）。

　　④ 下降時間tf ：

　　下降時間的過程與上升時間的過程恰巧相反，即是讓臨界飽和時基區中的存儲電荷逐漸消失的一種過程。因此，為了減短下降時間，就應該減少存儲電荷（減小結面積、減小基區寬度）和加大基極抽取電流。

　　總之，為了減短晶體管的開關時間、提高開關速度，除了在器件設計上加以考慮之外，在晶體管使用上也可以作如下的考慮：a）增大基極驅動電流，可以減短延遲時間和上升時間，但使存儲時間有所增加；b）增大基極抽取電流，可以減短存儲時間和下降時間。

　　圖2

　　（2）晶體管的增速電容器

　　在BJT采用電壓驅動時，雖然減小基極外接電阻和增大基極反向電壓，可以增大抽取電流，這對于縮短存儲時間和下降時間都有一定的好處。但是，若基極外接電阻太小，則會增大輸入電流脈沖的幅度，將使器件的飽和程度加深而反而導致存儲時間延長；若基極反向電壓太大，又會使發射結反偏嚴重而增加延遲時間，所以需要全面地進行折中考慮。可以想見，為了通過增大基極驅動電流來減短延遲時間和上升時間的同時、又不要增長存儲時間和產生其它的副作用，理想的基極輸入電流波形應該是如圖2所示階梯波的形式，這樣的階梯波輸入即可克服上述矛盾，能夠達到提高開關速度的目的。

　　實際上，為了實現理想的基極電流波形，可以方便地采用如圖3所示的基極輸入回路（微分電路），圖中與基極電阻RB并聯的CB就稱為增速電容器。在基極輸入回路中增加一個增速電容器之后，雖然輸入的電流波形仍然是方波，但是通過增速電容器的作用之后，所得到的實際基極輸入電流波形就變得很接近于理想的基極電流波形了，于是就可以減短開關時間、提高開關速度。