双极型晶体管

天簌幻梦

双极型晶体管内部电流由两种载流子形成，它是利用电流来控制。场效应管是电压控制器件，栅极（G）基本上不取电流，而晶体管的基极总要取一定的电流，所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管。而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大，可以得到比场效应管高的电压放大倍数。 双极型晶体管原理
2 Q( ~  p( Z. L# h虽然二极管是很有用的器件，但它不能放大信号，几乎所有的电路都以某种方式要求放大信号。一种能放大信号的器件就是双极型晶体管（BJT）。
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3 c  q! _  S# b' P3 z% j! c& n图1是两种双极型晶体管的结构图。每个晶体管有3个半导体区，他们分别是发射极，基极和集电极。基极总是夹在发射极和集电极之间。NPN管由N型的发射极，P型的基极和N型的集电极组成。类似的，PnP管由P型的发射极，N型的基极和P型的集电极组成。在这些简图中，晶体管的每个区都是均匀掺杂的矩形硅。现代的双极型晶体管稍微有点不同，但工作原理还是一样的。

图1中也画出了两种晶体管的电路符号。发射极上的箭头表明了发射极－基极结正向偏置情况下电流的流向。虽然集电极和基极之间也有结，但在集电极上没有标上箭头。在图1简化的晶体管中，发射极－基极结和集电极－基极结看上去是一样的。看上去把集电极和发射极对调对器件没有什么影响。实际上，这两个结有不同的掺杂属性和几何形状，所以不能对调。发射极靠箭头和集电极区分开来。



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双极型晶体管能看成是两个背靠背连起来的PN结。晶体管的基极区非常的薄（大约1－12μm）。由于两个结靠的非常近，载流子能在复合前从一个结扩散到另一个结。因此一个结的导通对另一个结也有影响。

图2（A）中是一个基极－发射极零偏置，基极－集电极5伏偏置的NPN晶体管。由于没有结是正向偏置，所以晶体管的三端都只有很小的电流。两个结都反向偏置的晶体管称为cutoff状态。图2（B）中有10微安的电流注入基极。这个电流使得基极－发射极正向偏置了约0.65伏。这时虽然基极－集电极还是反向偏置状态，但有一个是基极电流100倍的集电极电流流过基极－集电极结。这个电流是正向偏置的基极－发射极结和反向偏置的基极－集电极结相互作用的结果。处于这种偏置状态的晶体管，它被称为在forward active区。如果发射极和集电极相互对调，基极－发射极变成反向偏置，基极－集电极正向偏置，这个晶体管称为在reverse active区。实际上，晶体管很少工作在这种方式下。
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图3解释了为什么集电极电流能流过反向偏置的结。只要基极－发射极变成正向偏置，马上就有载流子流过这个结。流过这个结的大多数电流是由重掺杂的发射极注入轻掺杂的基极的电子。大多数电子在他们复合前就扩散通过了很窄的基极区。因为基极－集电极是反向偏置的，所以只有很少的多数载流子能从基极流到集电极。同样的，这个阻止多数载流子运动的电场帮助少数载流子运动。在基极里，电子是少数载流子，所以他们都穿过了反向偏置的基极－集电极结进入集电极。在集电极里，他们又成了多数载流子，往集电极的引线端运动。所以集电极的电流里主要是顺利的从发射极来到集电极而没有在基极复合的电子。
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有些注入到基极的电子也确实没有到达集电极。那些没有到达集电极的电子在基极中复合了。基极的复合需要消耗从基极引线端流入的电流里的空穴。也有些空穴从基极注入到了发射极，但他们都很快的复合了。这些空穴就是基极引线端电流的第2个来源。这些复合的过程通常消耗不超过1％的发射极电流，所以只需要一个很小的基极电流就能维持基极－发射极的正向偏置。
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双极晶体管的改进技术
设计进步及封装技术的改进使开发优化的分立半导体器件成为可能，例如低饱和电压晶体管及超低正向压降肖特基整流二极管。此类新器件可满足当今电子产品在散热、效率、空间占用和成本方面的高要求，对于便携式电池供电设备（如笔记本电脑、数码相机）及汽车中的负载切换和电源系统，此类新器件是首选的解决方案。
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3 P* n; N) Y4 ~$ d  }: f$ A集电极功耗PC=VCEsat×IC是双极晶体管损耗的重要来源。由于集电极电流IC是由应用预先确定的，因此，器件生产商要想降低晶体管损耗惟一的选择是降低集电极-发射极饱和电压VCEsat。低VCEsat晶体管的出现主要归功于网状结构发射极技术的应用。
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, ?4 }) {, }& t网状结构发射极（mesh-emitter）设计将发射极区域扩展到更大面积的区域，同时使其以网状结构与基极接触，因此可降低发射极串联电阻。这样做的结果是基极驱动更为平均，从而可更有效地利用裸片上的发射极有源区域，并进而大大降低集电极-发射极饱和电压（如图4所示）。
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在相应的封装所允许的限制内尽量增大裸片面积可以进一步降低器件的损耗。图5说明开发并应用新的引线框架和6引脚封装（如SOT457）还可改善器件的散热情况。

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2 r! |/ ?3 b4 k( W5 Y; d/ N9 h( R与中功率晶体管性能相当
# ]. U, g  e3 d& a4 Q  b由于晶体管的总成本受封装成本的影响很大，因此，采用SOT23封装的晶体管要比采用较大的SOT223封装的晶体管的成本低得多。
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3 U& F" h. p. s2 n" u" h对于传统晶体管设计，通常是所需要的集电极电流限制了裸片尺寸，从而限制了进一步小型化的努力。例如，采用传统设计，集电极电流>0.5A的晶体管无法采用SOT23封装。另一方面，如果采用网状结构发射极技术，现在已经可以在SOT23封装中提供集电极电流大于2A的晶体管。因此，网状发射极晶体管（SOT23）可以用来代替更大的SOT223封装晶体管，并且提供相当、甚至更好的特性。BISS晶体管PBSS4350T和PBSS4320T以及中功率晶体管BDP31。


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' h; U+ X3 m. v: k三种晶体管的集电极-发射极饱和电压曲线如图6。在集电极电流为1A时，网状发射极晶体管的饱和电压要比传统晶体管低约40%～50%，而驱动电流仅为50mA（IC/IB=20），比100mA（IC/IB=10）也低得多。与SOT223封装晶体管相比，SOT23晶体管需要的电路板空间少20%。安装在陶瓷衬底上，SOT23封装晶体管的功耗甚至可提高到625mW。因此适合替代最大功耗600mW（集电极散热器面积1cm2）的6引脚晶体管（如SOT457）。
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7 i  p* U2 g1 v2 W1 q& [  k. i简单的负载切换（低端开关）应用实例可以很好地体现出更高的效率、更低的温升以及更高的可用输出电压等优点。供电电压VCC为3.3V，负载电流VLoad=IC=2A。对比采用SOT223封装的传统中功率晶体管BDP31和采用SOT23封装的网状结构发射极晶体管PBSS4320T。温升△T可以利用总功耗Ptot和温阻Rth计算。计算结果对BDP31为128K，对BISS晶体管PBSS4320T为109K（安装在1cm2的集电极焊盘上）。

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对于许多应用，可用输出电压VLoad应当尽可能接近供电电压（即电压差应当尽可能小）。VLoad等于供电电压VCC和集电极-发射极饱和电压VCEsat的差，对于BDP31为2.6V，与此相比，网状结构发射极晶体管PBSS4320T为3.1V。效率η等于负载功率PLoad和供电功率PSupply的比值。利用标准晶体管BDP31只能获得79%的电路效率，而利用网状结构发射极晶体管PBSS4320T，电路效率可提高到94%。总而言之，采用SOT23 BISS晶体管来代替较大的SOT223封装标准中功率晶体管，电路效率可大大提高，可用负载电压提高，更接近电源满幅电压，而温升也会更低