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，能够将小信号输入电压和电流放大或切换到明显较大的输出信号电压和电流。

双极结型晶体管bts是如何演变的

在1904-1947年间，真空管毫无疑问是引起人们极大好奇和发展的电子设备。1904年，j.a.弗莱明发射了真空管二极管。不久之后，在1906年，李·德·福里斯特(Lee De Forest)用第三种特性——控制栅极(control grid)——增强了该器件，产生了第一个放大器，并命名为三极管。

在随后的几十年里，广播和电视给电子管行业带来了巨大的灵感。生产从1922年的大约100万根增加到1937年的大约1亿根。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流行起来。

在接下来的几年里，制造业发展成为最重要的部门之一，这些模型在生产方法、高功率和高频应用以及小型化方向上都得到了快速改进。

然而，在1947年12月23日，电子工业见证了一个全新的“兴趣方向”的到来和改进。那天中午，沃尔特·h·布拉顿和约翰·巴丁在贝尔电话实验室展示并证明了晶体管的放大功能。

第一个晶体管(以点接触晶体管的形式)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，这个3针固态单元的积极方面是立即值得注意的:结果证明，它更小，可以在没有“加热器”或加热损耗的情况下工作，是牢不可破的和强大的，更有效的电力使用，可以轻松存储和访问，不需要任何初始预热启动，并在低得多的运行电压下工作。

晶体管结构

晶体管基本上是一种由3层半导体材料构成的器件，其中要么使用2n型和单个p型材料层，要么使用2p型和单个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。

我们已经学过了以下是直流偏置对建立所需的操作区域和交流放大至关重要。因此，发射极侧层的掺杂比基极侧的掺杂更明显。

与p型或n型夹芯材料相比，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约为0.150/0.001:150:1。在夹层层上实现的掺杂也相对低于外部层，后者的范围通常为10:1或更小。

这种降低的掺杂水平通过限制掺杂的数量降低了材料的导电容量，提高了材料的电阻性自由运动的电子或“自由”载流子。

在偏置图中，我们还可以看到设备的终端用大写字母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，我会解释为什么这些终端如此重要。

此外，术语BJT是双极晶体管的缩写，并指定为这3个终端设备。短语“双极”表示在掺杂过程中涉及的空穴和电子与反极化物质的相关性。

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互换，NPN对应物的工作原理将完全相似。

如图3.3所示，PNP晶体管已经重新绘制，消除了基极到集电极的偏置。我们可以看到，由于诱导的偏置，耗尽区在宽度上是如何缩小的，这导致了大量的多数航空公司通过p-到n型材料。

如图3.4所示，如果去除pnp晶体管的基极到发射极的偏置，大多数载流子的流量变为零，只允许少数载流子流动。

简单地说，我们可以理解，在有偏见的情况下BJT的一个pn结成为反向偏置，而另一个结是正向偏置。

在图3.5中，我们可以看到pnp双极晶体管都被施加了偏置电压，这导致了指示的多数和少数载流子流。在这里，从耗尽区域的宽度，我们可以清楚地看到哪个结具有正向偏置条件，哪个结处于反向偏置条件。

如图所示，大量的多数载流子最终通过正向偏置的p-n结扩散到n型材料中。这在我们的脑海中提出了一个问题，这些载流子是否能够发挥任何重要的作用，以促进基电流IB或使其直接流入p型材料?

考虑到夹在中间的n型内容物非常薄，具有极低的导电性，极少数的这些载体将采取这种特殊的高电阻路线穿过基端。

发射极和集电极电流的基极电流通常在微安左右，而不是毫安左右。

如图3.5所示，这些大多数载流子的较大范围将沿着反偏结扩散到附着在集电极终端上的p型材料中。

在反向偏置二极管的例子中，n型材料中诱导的多数载流子以少数载流子的形式出现，使得大多数载流子可以相对容易地通过反向偏置结。

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，再加上对于二极管而言，耗尽区所有的少数载流子都通过了反向偏置结，导致了电子流，如图3.5所示。

假设图3.5中的晶体管为一个单节点，利用基尔霍夫电流定律可得:

我_E=我_C+我_B

这表明发射极电流等于基极电流和集电极电流之和。

但是集电极电流是由几个元素组成的，如图3.5所示，这两个元素分别是多数和少数载流子。

这里的小电流载流子元件构成泄漏电流，符号为ICO(具有开射端子的电流IC)。

因此，净集电极电流的建立如式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来测量，而ICO用uA或nA来计算。

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，可以完全忽略今天的所有bts。

在下一章中，我们将学习如何在公共基础模式下配置bject。

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