晶體管類型及結(jié)構(gòu)

　　1.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)及類型　　根據(jù)不同的摻雜方式在同一個(gè)硅片上制造出三個(gè)摻雜區(qū)域，并形成兩個(gè)PN結(jié)，就構(gòu)成晶體管。采用平面工藝制成的 NPN型硅材料晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1.3.2(a)所示，位于中間的P區(qū)稱為基區(qū)，它很薄且雜質(zhì)濃度很低；位于上層的 N區(qū)是發(fā)射區(qū)，摻雜濃度很高；位于下層的N區(qū)是集電區(qū)，面積很大；晶體管的外特性與三個(gè)區(qū)域的上述特點(diǎn)緊密相關(guān)。
　　它們所引出的三個(gè)電極分別為基極 b、發(fā)射極 e和集電極 c。圖(b)所示為 NPN 型管的結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的 PN 結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，基區(qū)與集電區(qū)間的 PN結(jié)稱為集電結(jié)。圖(c)所示為 NPN 型管和PNP型管的符號(hào)。本節(jié)以NPN型硅管為例講述晶體管的放大作用、特性曲線和主要參數(shù)。

    放大是對(duì)模擬信號(hào)基本的處理。在生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，從傳感器獲得的電信號(hào)都很微弱，只有經(jīng)過(guò)放大后才能作進(jìn)一步的處理，或者使之具有足夠的能量來(lái)推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。晶體管是放大電路的元件，它能夠控制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的任何微小變化不失真地放大輸出。

　　圖1.3.3所示為基本放大電路，Δu為輸入電壓信號(hào)，接入基極-發(fā)射極回路，稱為輸入回路；放大后的信號(hào)在集電極-發(fā)射極回路，稱為輸出回路。由于發(fā)射極是兩個(gè)回路的公共端，故稱該電路為共射放大電路。使晶體管工作在放大狀態(tài)的外部條件是發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置。因而在輸入回路需加基極電源V;在輸出回路需加集電極電源Vc:VB和Vc的極性應(yīng)如圖1.3.3所示,且Vc應(yīng)大于V晶體管的放大作用表現(xiàn)為小的基極電流可以控制大的集電極電流。下面從內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)與外部電流的關(guān)系上來(lái)做進(jìn)一步的分析。一、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)當(dāng)圖1.3.3所示電路中Δu=0時(shí)，晶體管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)示意圖如圖1.3.4所示。

　　1.發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流l,　　因?yàn)榘l(fā)射結(jié)加正向電壓，又因?yàn)榘l(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度高，所以大量自由電子因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越過(guò)發(fā)射結(jié)到達(dá)基區(qū)。與此同時(shí)，空穴也從基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但由于基區(qū)雜質(zhì)濃度低，所以空穴形成的電流非常小，近似分析時(shí)可忽略不計(jì)。可見(jiàn)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成了發(fā)射極電流.。I。2.擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流l　　由于基區(qū)很薄，雜質(zhì)濃度很低，集電結(jié)又加了反向電壓，所以擴(kuò)散到基區(qū)的電子中只有極少部分與空穴復(fù)合，其余部分均作為基區(qū)的非平衡少子達(dá)到集電結(jié)。又由于電源V的作用，電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)將源源不斷地進(jìn)行，形成基極電流.l3.集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流.Ic　　由于集電結(jié)加反向電壓且其結(jié)面積較大，基區(qū)的非平衡少子在外電場(chǎng)作用下越過(guò)集電結(jié)到達(dá)集電區(qū)，形成漂移電流。與此同時(shí)，集電區(qū)與基區(qū)的平衡少子也參與漂移運(yùn)動(dòng)，但它的數(shù)量很小，近似分析中可忽略不計(jì)?？梢?jiàn)，在集電極電源Vc的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流l.二、晶體管的電流分配關(guān)系　　設(shè)由發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散所形成的電子電流為、I、，基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散所形成的空穴電流為lw,基區(qū)內(nèi)復(fù)合運(yùn)動(dòng)所形成的電流為：IB,基區(qū)內(nèi)非平衡少子(即發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)但未被復(fù)合的自由電子)漂移至集電區(qū)所形成的電流為(、l、平衡少子在集電區(qū)與基區(qū)之間的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流為Ic0見(jiàn)圖1.3.4中所標(biāo)注，則、l1=lN+lpr=Ic、+lN+l1r(1.3.1)Ic=lcN+ICBO(1.3.2)ln=l0+lbIcMO=l1′lcnO(1.3.3)從外部看l1=lc+l0(1.3.4)三、晶體管的共射電流放大系數(shù)電流Ic與I之比稱為共射直流電流放大系數(shù)β,根據(jù)式(1.3.2)和式(1.3.3)可得β=lcI2′=lc↘0I3+Ic0整理可得Ic=βI3+(1+β)IcgO=βl3+IC20(1.3.5)式中Ic×0稱為穿透電流，其物理意義是，當(dāng)基極開(kāi)路((l=0)時(shí)，在集電極電源V.作用下的集電極與發(fā)射極之間形成的電流，而IcSO是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。一般情況下，l0>Ico0,β>1,所以Ic=βI(1.3.6)I=(1+β)I(1.3.7)　　在圖1.3.3所示電路中，若有輸入電壓Δu作用，則晶體管的基極電流將在l基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流Δt,當(dāng)然集電極電流也將在I基礎(chǔ)上疊加動(dòng)態(tài)電流。Δt,Δi。與△i之比稱為共射交流電流放大系數(shù)，記作β，即β=ΔicΔi1(1.3.8)
　　集電極總電流ic=Ic+Δic=βI1+Ic10+βΔi1,通常穿透電流可忽略不計(jì)，故ic=βl3+βΔi在Δi|不太大的情況下，可以認(rèn)為ββ(1.3.9)　　式(1.3.9)表明，在一定范圍內(nèi)，可以用晶體管在某一直流量下的β來(lái)取代在此基礎(chǔ)上加動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)的β。由于在l較寬的數(shù)值范圍內(nèi)β基本不變，因此在近似分析中不對(duì)β與β加以區(qū)分，即認(rèn)為lcβi3小功率管的β較大，有的可達(dá)三、四百倍；大功率管的β較小，有的甚至只有三、四十倍?！　‘?dāng)以發(fā)射極電流作為輸入電流，以集電極電流作為輸出電流時(shí)，、lc、與I.之比稱為共基直流電流放大系數(shù)α―=lcyl根據(jù)式(1.3.2)可得Ic=αI1+IcHO(1.3.10)將式(1.3.4)代入上式，可以得出α與β的關(guān)系，即β=α1α或α=β1+β(1.3.11)　共基交流電流放大系數(shù)α定義為集電極電流變化量與發(fā)射極電流變化量之比，根據(jù)Δi,Δi和△i的關(guān)系可得α=ΔisΔin=β1+β(1.3.12)通常β>1,故α=1;而且與β=β相同，α=α