双极型晶体管及其在生活中的应用(精)

双极型三极管及其在生活中的应用

一、双极型三极管的介绍 1、类型与结构

双极型三极管 (Bipolar Junction Transistor, BJT称为半导体三极管、晶体半导体等,是一种重要的三端子电子器件。它是由贝尔实验室 (Bell Laboratory 的一个研究团队在 1947年发明的。虽然如今 MOSFET 已经成为应用最广泛的电子器件,但是BJT 仍然在汽车电子仪器、无线系统频射电路等领域具有一定的优越性。

双极型三极管(BJT 是一种电流控制器件。它由两个背靠背 PN 结构成, 是具有电流放大作用的晶体三极管, 。它有三个电极, 每个电极伸出一个引脚, 由电子和空穴同时参与导电。 BJT 常见的晶体管外形如右图所示。

在一个硅片或锗片上生成三个半导体区域:一个 P 区夹在两个 N 区中间的称为NPN 型管;一个 N 区夹在两个 P 区之间的称为 PNP 型管。它们的电路符号和结构图如下图所示。

(NPN 型管的结构模型图

(A 为 NPN 晶体管、 B 为 PNP 晶体管

三个杂质半导体区域分别为:基区、发射区、集电区。它们的特点是:基区很薄,空穴浓度较小; 发射区与基区的接触面较小, 高掺杂; 集电区与基区的接触面较大。

从三个区域中分别引出三个电极:基极(B 、发射极(E 、集电极(C 。三个杂志半导体区域之间两两形成了 PN 结。其中发射区和基区间形成发射结,集电区和基区间形成集电结。上图所示是 NPN 型管的结构模型图。

2、工作原理

BJT 的工作模式有三:共射极放大、共基极放大、共集极放大。其中最常见的是共发射极工作模式。

当

BJT 中两个 PN 结偏置条件不同时, BJT 将呈现不同的工作状态【 1】 : (1 放大区:发射结正偏且大于开启电压, 集电结反偏。 (2截止区:发射结和集电结均为反向偏置。其实只要发射结反偏或零偏置 , 三极管就已处于截止状态 . 在数字电路中 , 这个条件还要弱一些 , 只要加在发射结上的电压小于导通电压 , 三极管就可以截止。

(3饱和区:发射结和集电结均为正向偏置。 (4倒置态【 2】 :发射结加反向偏置电压 , 集电结加正向偏置电压。与 BJT 的放大状态相比 , 相当于把集电极与发射极相互交换。

工作原理描述:当晶体管工作在有源放大区时,管内载流子运动如右图所示。由于发射结的外加正向电压,发射区的电子向基区扩散 , 形成发射极电流 I E 。部分电子继续向集电结方向扩散, 另一部分电子与基区的空穴符合形成基区复合电流 I

BN 。由于集电结的外加反向电压,从基区扩散来的电子很快漂移过集电结并被集电区收集,形成集电极电流 I C 。与此同时,基区自身的电子和集电区的空穴也在反偏电压作用下产生漂移运动,形成集电结反向饱和电流 I CBO 。

3、电学特性 (1 电流增益

集电极电流 I C 和发射极电流 I E 之间的关系可以用系数来说明,定义 :

通常通过改善决定发射极注入效率(Ƴ和基区传输因子(αT 的结构参数使电流参数得到优化。

其中,发射极注入效率(Ƴ定义为:

(N B 是基区的掺杂浓度, N E 是发射区的掺杂浓度; D PE 是电子在发射区中的扩散系数, D NB 是少子在基区的扩散系数; W B 和 W E 分别基区和发射区的宽度

(a 为放大状态、 b 为倒置状态

(BJT 工作原理图

想要改善发射极注入效率,必须减小 N B 和 N E 的比值,因此发射区的掺杂浓度必须远大于基区。【 3】

基区传输因子(αT 定义为: 其中,

是基区的少子扩散长度, D nB 是少子在基区的扩散系数。

BJT 的共发射极电流增益定义为集电极电流和基极电流的比值:

(2 击穿电压

在 BJT 器件中,击穿分为两种:雪崩击穿和穿通击穿。当基区集电区的反偏电压达到某数值,器件内的最高电场达到临界击穿电场时,电流急剧增加,发生雪崩击穿。当基区 -集电区的反向偏置电压提高后, 基区集电区的耗尽层边缘延伸至整个基区, 基区电中性消失, 整个基区都是高电场的耗尽区。此时, 发射区的电子可以直接漂移到集电区, 从而输出很大的集电极电流,发生穿通击穿。【 4】器件的雪崩击穿电压 BV 定义为:

其中, Ɛ是半导体材料的介电常数, N 是漂移区的掺杂浓度。 E C 为半导体材料的临界击穿电场。

二、双极型三极管在生活中的应用 1、基于 BJT 的温度传感器 1简介

基于 BJT 的 CMOS 温度传感器根据基极-发射极电压 V BE 的温度特性来测量溫度。由于 BJT 良好的温度特性,这种温度传感器可以达到很高的精度,达到了

0.1°C ,是目前精度最高的 CMOS 温度传感器。但是其普遍存在功耗过高、面积过大的问题, 随着这些年的发展, 这些问题已经逐步得到改善【 5】。

2温度测量原理【 6】

双极型晶体管的基极-发射极电压 V BE 是一个与绝对温度成反比 (CTAT 的电压, 其斜率大约为 -2mV/°C 。在不同电流偏置下的两个相同的双极型晶体管的基极-发射极电压之差与绝对温度成正比关系。

3工作原理

(模拟前端电路原理图

如上图所示, 电路图的左半边是偏置电路, 右半边是传感器核。由于电路中高増益运放和两个上拉 PMOS 管构成负反馈环路,可得 V a =Vb 。电阻 R bias 两端的电压为 V BE ,在电流密度比例一定的情况下, 通过调节偏置电阻 R bias 的大小就可以调节偏置电流 I bias 。图中, Q BL 的基极串联的电阻值为 R bias /5,其作用是在偏置电流中引入补偿,减小传感器核输出的两个电压 V BE1和 V BE2受到噪声的影响,从而提高了传感器的精度。

2、利用 BJT 的小型 Marx 型脉冲发生器

1简介

BJT 用作开关时相较于气体开关具有易控制以及响应迅速的优点,并且它价格低廉, 适用于大量生产,因此广泛应用于民用、工业、航空等各个领域【 7】。由于传统开关存在体积大、寿命短及发热等问题, 为了提高工作频率,半导体开关凭借其开关速度快,稳定性高等优点,成为更好的选择。利用 BJT 制成的小型 Marx 型脉冲发生器就是其中之一。【 8】