双极晶体管(BJT) -结构和操作细节

双极晶体管或BJT是一种3端半导体器件，它能够将小信号输入电压和电流放大或转换为明显更大的输出信号电压和电流。

双极结晶体管bjt是如何发展的

在1904-1947年间，真空管无疑是一种极具好奇心和发展潜力的电子设备。1904年，j.a.弗莱明发明了真空管二极管。不久之后，在1906年，李·德·福里斯特(Lee De Forest)增强了这个装置的第三个特点，即控制栅极，产生了第一个放大器，并命名为三极管。

在随后的几十年里，广播和电视给地铁行业带来了巨大的灵感。制造业从1922年的大约100万根上升到1937年的大约1亿根。在20世纪30年代初，四元四极管和五元五极管在电子管行业中得到普及。

在接下来的几年里，制造业发展成为最重要的行业之一，在生产方法、大功率和高频应用以及小型化方向上，这些模型得到了迅速的改进。

然而，在1947年12月23日，电子工业将见证一个全新的“兴趣方向”和改进的到来。那天中午，沃尔特·布拉顿和约翰·巴丁在贝尔电话实验室展示并证明了第一个晶体管的放大功能。

第一个晶体管(以点接触晶体管的形式出现)如图3.1所示。

图片来源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

与电子管相比，这种3针固态单元的优点显而易见:它体积更小，可以在没有“加热器”或加热损耗的情况下工作，坚固耐用，在电力使用方面更有效，可以方便地存储和使用，不需要任何初始加热启动，并且在更低的工作电压下工作。

晶体管结构

晶体管基本上是由3层半导体材料构成的器件，其中要么使用2 n型和单p型材料层，要么使用2 p型和单n型材料层。第一种类型被称为NPN型晶体管，而第二种类型被称为PNP型晶体管。

在适当的直流偏置下，这两种类型都可以在图3.2中显示出来。

我们已经学习了如何以下是直流偏置成为建立所需的操作区域和交流放大的必要条件。为此，与掺杂较少的基极侧相比，发射极侧被掺杂得更显著。

与p型或n型夹层材料相比，外层的厚度要大得多。在上面的图3.2中，我们可以发现对于这种类型，总宽度相对于中心层的比例大约是0.150/0.001:150:1。在夹层层上实现的掺杂也相对低于外部层，其范围通常为10:1或更小。

这种降低掺杂水平降低了材料的导电容量，通过限制掺杂量增加了材料的电阻性自由移动电子或“自由”载流子。

在偏置图中，我们还可以看到器件的端子用大写字母E表示发射极，C表示集电极，B表示基极，在我们未来的讨论中，我将解释为什么这种重要性呈现给这些端子。

此外，术语BJT是用来缩写双极晶体管和指定为这三个终端设备。短语“双极”表明在掺杂过程中涉及的空穴和电子的相关性相对于一个相反极化物质。

晶体管的操作

现在让我们在图3.2的PNP版本的帮助下了解BJT的基本工作原理。如果电子和空穴的参与只是简单地交换，那么NPN对应物的工作原理将完全相似。

如图3.3所示，PNP晶体管已重绘，消除了基极到集电极的偏置。我们可以想象，由于诱导偏置，导致大量的流体流动，耗尽区域的宽度看起来是如何变窄的多数航空公司横跨p-到n型材料。

如果pnp晶体管的基极-发射极偏置如图3.4所示消除，多数载流子的流量变为零，只允许少数载流子的流量。

简单地说，我们可以理解，在有偏见的情况下BJT的一个p-n结变成反向偏置，而另一个结是正向偏置。

在图3.5中，我们可以看到两个偏置电压都被施加到pnp双极晶体管上，这导致了所示的多数载流子和少数载流子流。在这里，从耗尽区域的宽度，我们可以清楚地看到哪个结点在一个正向偏置条件下工作，哪个是反向偏置条件下工作。

如图所示，大量载流子最终通过正向偏置p-n结扩散到n型材料中。这就给我们提出了一个问题，这些载流子能否在促进基电流IB或使其直接流入p型材料中发挥重要作用?

考虑到夹在中间的n型内容是难以置信的薄，并具有最小的电导率，极少数这些载体将采取这种特殊的高电阻路线通过基极终端。

基极电流的水平通常是在微安培左右，而不是发射器和集电极电流的毫安左右。

这些大范围的多数载流子将沿着反偏置结扩散到附在集电极末端的p型材料，如图3.5所示。

在n型材料中，诱导的多数载流子作为少数载流子出现在一个反向偏置二极管的例子中，使多数载流子相对容易地通过反向偏置结的实际原因很快就得到了证明。

换句话说，我们发现在n型基区材料中引入了少数载流子。有了这些知识，再加上二极管在耗尽区所有的少数载流子都通过反偏结的事实，就会产生如图3.5所示的电子流动。

假设图3.5中的晶体管为单节点，我们可以应用基尔霍夫电流定律得到以下方程:

我_E=我_C+我_B

这表明发射极电流等于基极和集电极电流之和。

但是集电极电流由几个元素组成，即图3.5所示的多数载流子和少数载流子。

这里的小电流载流子元件构成泄漏电流，并表示为ICO(具有开放发射极终端的电流IC)。

因此，建立净集电极电流如式3.2所示:

我_C=我_Cmajority+我_COminority

对于所有通用晶体管，集电极电流IC用mA测量，而ICO用uA或nA计算。

ICO行为很像一个反向偏置二极管,因此可以容易受到温度变化,因此必须妥善照顾,而测试,尤其是在电路设计工作在不同温度范围内的场景,否则结果可以大大由于温度因素的影响。

也就是说，由于现代双极晶体管结构布局的许多先进改进，ICO显著减少，可以完全忽略所有今天的bjt。

在下一章中，我们将学习如何在公共基模式下配置bjt。

引用:https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen