第8节 Bipolar Junction Transistors (修订中)
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双极结型晶体管 (opens new window)( BJT) 之所以被命名，是因为它的操作涉及两个载流子的传导：同一晶体中的电子和空穴。第一个双极晶体管是由 William Shockley、Walter Brattain 和 John Bardeen 于 1947 年晚些时候在贝尔实验室发明的，直到 1948 年才出版。因此，许多文本对发明日期的说法不一。Brattain 制造了一个锗_点接触晶体管_，与点接触二极管有些相似。一个月之内，肖克利就有了一个更实用的_结型晶体管_，我们将在下面的段落中进行描述。他们因晶体管获得了 1956 年的诺贝尔物理学奖。
下图 (a) 所示的双极结型晶体管是一个 NPN 三层半导体夹层结构，两端有_发射极_和_集电极，中间有一个__基_极。就好像在两层二极管上增加了第三层。如果这是唯一的要求，我们将只有一对背靠背二极管。事实上，构建一对背靠背二极管要容易得多。制造双极结型晶体管的关键是在不使外层、发射极和集电极短路的情况下，使中间层（基极）尽可能薄。我们不能过分强调薄基区的重要性。
# 1. BJT 结
下图 (a) 中的器件有一对结，发射极到基极和基极到集电极，以及两个耗尽区。
(a) NPN 结双极晶体管。(b) 对集电极基极结施加反向偏压。
通常对双极结型晶体管的基极- 电压 (opens new window)可以是几伏到几十伏对于大多数晶体管，集电极电路中除了漏电流外没有电流流动。
在下图 (a) 中，电压源已添加到发射极基极电路。通常我们正向偏置发射极-基极结，克服 0.6 V 势垒。这类似于对结型二极管进行正向偏置。该电压源需要超过 0.6 V 才能使多数载流子（NPN 的电子）从发射极流入基极，成为 P 型半导体中的少数载流子。
如果基区很厚，例如在一对背靠背二极管中，所有进入基极的电流都会从基极引线流出。在我们的 NPN 晶体管示例中，离开发射极到基极的电子将与基极中的空穴结合，为电子离开时在基极的 (+) 电池端子处产生更多空穴腾出空间。
然而，底座制造得很薄。发射极中的少数多数载流子，作为少数载流子注入基极，实际上重新组合。见下图 (b)。由发射极注入 NPN 晶体管基极的电子很少落入空穴。此外，很少有电子进入基极直接通过基极流向正极电池端子。电子的大部分发射极电流通过薄基极扩散到集电极。此外，调制较小的基极电流会产生较大的集电极电流变化。如果硅晶体管的基极电压低于大约 0.6 V，则大的发射极-集电极电流停止流动。
具有反向偏置集电极-基极的 NPN 结双极晶体管：(a) 向基极-发射极结添加正向偏置，导致 (b) 小基极电流和大发射极和集电极电流。
# 2. BJT电流放大
在下图中，我们仔细研究了电流放大机制。我们有一个 NPN 结型晶体管的放大图，重点是薄基区。尽管未显示，但我们假设外部电压源 1) 正向偏置发射极-基极结，2) 反向偏置基极-集电极结。电流，将发射器留给 (-) 电池端子。基极电流对应于从 (+) 电池端子进入基极端子的电流。
进入碱基的电子的分布：（a）由于与碱基空穴的复合而丢失。(b) 流出碱基铅。(c) 大多数从发射极通过薄基极扩散到基极-集电极耗尽区，(d) 被强耗尽区电场迅速扫入集电极。
N型发射极内的多数载流子是电子，进入P型基极时成为少数载流子。这些电子面临四种进入薄 P 型基极的可能命运。上图 (a) 中的一些落入了基极的孔中，这些孔有助于基极电流流向 (+) 电池端子。未显示，基极中的空穴可能会扩散到发射极中并与电子结合，从而产生基极端电流。在 (b) 处，很少有人会通过基座流向 (+) 电池端子，就好像基座是一个电阻器一样。(a) 和 (b) 都有助于非常小的基极电流。对于小信号晶体管，基极电流通常为发射极或集电极电流的 1%。大多数发射极电子直接通过薄基极 (c) 扩散到基极-集电极耗尽区。注意 (d) 处电子周围耗尽区的极性。强电场将电子迅速扫入收集器。场强与集电极电池电压成正比。因此，99% 的发射极电流流入集电极。它由基极电流控制，基极电流为发射极电流的 1%。这是 99 的潜在电流增益，I 的比率C /I B，也称为β、β。
这种魔力，即 99% 的发射极载流子通过基极扩散，只有在基极非常薄的情况下才有可能实现。在厚 100 倍的基础中，基础少数载流子的命运会是什么？人们会期望电子落入空穴的复合率要高得多。也许 99%，而不是 1%，会掉进洞里，永远不会到达收集器。第二点是基极电流可以控制 99% 的发射极电流，前提是 99% 的发射极电流扩散到集电极。如果它全部流出底座，则无法控制。
另一个将 99% 的电子从发射极传递到集电极的特征是真正的双极结型晶体管使用小型重掺杂发射极。发射极电子的高浓度迫使许多电子扩散到基极。基极中较低的掺杂浓度意味着更少的空穴扩散到发射极，这会增加基极电流。强烈支持载流子从发射极到基极的扩散。
薄基极和重掺杂发射极有助于保持高_发射极效率_，例如 99%。这对应于 100% 的发射极电流在基极为 1% 和集电极为 99% 之间分流。发射极效率被称为 α = I C /I E。
# 3. BJT的类型
双极结型晶体管可用作 PNP 和 NPN 器件。我们在下图中对这两者进行了比较。区别在于基极发射极二极管结的极性，如示意图符号发射极箭头的方向所示。它指向与结型二极管的阳极箭头相同的方向，沿电流流动。参见二极管结，上图。箭头和条的点分别对应于 P 型和 N 型半导体。对于 NPN 和 PNP 发射器，箭头分别指向远离和指向基极。集电极上没有示意图箭头。然而，与二极管相比，基极 - 集电极结与基极 - 发射极结的极性相同。注意，我们说的是二极管，不是电源，极性。
比较 (a) 处的 NPN 晶体管与 (b) 处的 PNP 晶体管。注意发射器箭头的方向和电源极性。
与 NPN 晶体管相比，PNP 晶体管的电压源是相反的，如上图所示。在这两种情况下，基极-发射极结都必须正向偏置。与 NPN 的正 (a) 相比，PNP 晶体管的基极偏置为负 (b)。在这两种情况下，基极-集电极结都是反向偏置的。与 NPN 晶体管的正极相比，PNP 集电极电源为负极。
双极结型晶体管：（a）分立器件横截面，（b）原理图符号，（c）集成电路横截面。
请注意，上图 (a) 中的 BJT 在发射极中具有重掺杂，如 N+ 符号所示。基极具有正常的 P 掺杂剂水平。底座比未按比例显示的横截面要薄得多。集电极轻掺杂，如 N- 符号所示。集电极需要轻掺杂，以使集电极-基极结具有高击穿电压。这转化为高允许集电极电源电压。小信号硅晶体管的击穿电压为 60-80 V。但是，对于高压晶体管，它可能会达到数百伏。如果晶体管必须处理高电流，则集电极也需要重掺杂以最小化欧姆损耗。通过在金属接触区域更重地掺杂集电极来满足这些矛盾的要求。与发射极相比，靠近基极的集电极被轻掺杂。发射极中的重掺杂使发射极-基极在小信号晶体管中具有大约 7 V 的低击穿电压。重掺杂发射极使发射极-基极结在反向偏压下具有类似齐纳二极管的特性。
BJT_管芯_是一块切片和切割的半导体晶片，集电极向下安装到功率晶体管的金属外壳上。即，金属壳与集电体电连接。小信号芯片可以封装在环氧树脂中。在功率晶体管中，铝焊线将基极和发射极连接到封装引线。小信号晶体管管芯可以直接安装到引线上。[可以在称为集成电路](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/experiments/chpt- (opens new window). 甚至集电极也可以连接到引线而不是外壳。集成电路可以包含晶体管和其他集成组件的内部布线。（上图（c））所示的集成 BJT 比“不按比例”的图纸要薄得多。P+ 区域将多个晶体管隔离在单个裸片中。铝金属化层（未显示）互连多个晶体管和其他组件。发射极区域是重掺杂的，与基极和集电极相比，N+ 以提高发射极效率。
分立 PNP 晶体管的质量几乎与 NPN 对应晶体管一样高。然而，在同一集成电路管芯中，集成 PNP 晶体管不如 NPN 晶体管好。因此，集成电路尽可能多地使用 NPN 品种。
# 4. 总结
- 双极晶体管使用同一器件中的电子和空穴来传导电流。
- 双极晶体管作为电流放大器的操作要求集电极-基极结反向偏置，发射极-基极结正向偏置。
- 晶体管与一对背靠背二极管的不同之处在于基极，即中心层，非常薄。这允许来自发射极的多数载流子作为少数载流子通过基极扩散到基极-集电极结的耗尽区，在那里强电场将它们收集起来。
- 与集电极相比，更重的掺杂提高了发射极效率。发射器效率：α = I C /I E , 0.99 对于小信号器件
- 电流增益为 β=I C /I B，对于小信号晶体管为 100 到 300。
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