双极三极管（BJT）
- 双极三极管（BJT）
- BJT的结构简介
- 工作原理
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- 放大状态下BJT的工作原理
- BJT三种连接方式
- BJT电流分配关系
- I-V特性曲线
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- 当共射极连接时I-V特性曲线
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- 输入特性曲线
- 输出特性
- 当共基极连接时I-V特性曲线
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- 输入特性曲线
- 输出特性
- BJT的主要参数
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- 电流放大系数
- 极间反向电流
- 极限参数
- 温度对BJT影响参数和特征
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- 温度对BJT参数的影响
- 温度对BJT特征曲线的影响
双极三极管（BJT）
- 双极结型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT）俗称半导体三极管，是除场效应管外的另一种重要三端电子设备。
- 特点：超高频性能、大电流驱动能力
- MOS管是单极装置，BJT因其自由电子和空穴载流子同时参与导电而得名。
- 常见外形：
BJT的结构简介
- 结构示意图及电路符号：
- 三个杂质半导体区域在一个硅(或锗)片上生成:一个P区加在两个N区中间，一个N区加在两个P区中间。BJT有两种类型：NPN型和PNP类型。一个电极从三个杂质半导体区域引出，分别称为发射极e，集电极c，基极b，杂质半导体区分别称为发射区、集电区和基区。
- 三个区(基区/集电区/发射区)
- 两个PN(发射结/集电结)
- 三区各自的特点：
- 基区：控制区 ，掺杂浓度很低，基区宽度很薄。
- 集电区：收集载流子的区域 ，收集载流子，不能有过高的载流子(不能有过高的掺杂浓度)，但面积最大。类似仓库，不能装满东西或太小。
- 发射区：发射载流子的区域 ，载流子向外发射，应有足够的载流子发射，该区域载流子浓度最高，即掺杂浓度最高。
- 三区电气不对称。
- 结构图：
- 集成电路NPN型BJT的截面图：
工作原理
- BJT内部有两个背靠背，相互影响PN结。当这两个PN当结的偏置条件(正偏或反偏)不同时，BJT可能有四种工作状态：放大、饱和、截止、倒置。
放大状态下BJT的工作原理
- BJT内部载流子的传输过程
- BJT电流放大的作用体现在其内部载流子的定向运动（从发射区到集电区）上。无论是否实现电流放大，都应确保内部载流子进行此类定向运动NPN型还是PNP型的BJT，它们的发射应加正偏，集电结反偏。NPN例如，分析如下：
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- 向基区发射区载流子形成发射极电流IE。
- 发射结加正电压，发射区(高掺杂)多子电子将通过发射结不断扩散到基区，形成发射结电子扩散电流IEN，其方向与电子扩散方向相反。同时，基区的多子空穴也应扩散到发射区，形成空穴扩散电流IEP，其方向与IEN同样，两个电流构成发射结的正电压VBE控制的发射结电流(即发射极电流)IE，即： I E = I E N I E P = I E S ( e V B E / V T ? 1 ) ≈ I E S e V B E / V T I_{E}=I_{EN} I_{EP}=I_{ES}(e^{V_{BE}/V_{T}}-1)\approx I_{ES}e^{V_{BE}/V_{T}} IE=IEN+IEP=IES(eVBE/VT−1)≈IESeVBE/VT
- IES为发射结的反向饱和电流，其值与温度、发射区及基区的掺杂浓度有关，还与发射结的面积成比例。
- 由于基区掺杂浓度很低，IEP很小，可认为： I E = I E N + I E P ≈ I E N I_{E}=I_{EN}+I_{EP}\approx I_{EN} IE=IEN+IEP≈IEN
- 载流子在基区扩散与，形成复合电流IBN
- 由发射区扩散到基区的载流子电子在发射结边界附近浓度最高，离发射结越远浓度越低，形成了一定的浓度梯度。浓度差使得扩散到基区的电子继续向集电结方向扩散。扩散的时候，有一部分电子与基区的空穴复合，形成基区复合电流IBN。但是由于基区很薄，掺杂浓度又低，因此复合的电子很少，IBN很小。
- 向基区发射区载流子形成发射极电流IE。
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- 现在自由电子扩散到集电结处，浓度梯度越来越高，如果集电结不把靠近的自由电子抽走，整个自由电子扩散会越来越慢直至停止。
- 由于集电结外加反偏电压，空间电荷区的内电场被加强，对基区扩散到集电结边缘的载流子电子有很强的吸引力，使其漂移过集电结，被集电极收集，形成集电极漂移电流ICN，这个电流是受发射结正向电压VBE控制的。此外，基区自身的少子电子与集电区的少子空穴也要在集电结反偏作用下产生漂移，形成集电结反向饱和电流ICBO，方向与ICN一致。两者构成集电极电流IC，即： I C = I C N + I C B O I_{C}=I_{CN}+I_{CBO} IC=ICN+ICBO
- ICBO不受发射结电压控制，因而对放大没有贡献。它的大小取决于基区和集电区的少子浓度，数值很小，但受温度影响很大，容易使BJT工作不稳定。
- BJT的基极电流： I B = I E P + I B N − I C B O = I E P + I E N − I C N − I C B O = I E − I C I_{B}=I_{EP}+I_{BN}-I_{CBO}=I_{EP}+I_{EN}-I_{CN}-I_{CBO}=I_{E}-I_{C} IB=IEP+IBN−ICBO=IEP+IEN−ICN−ICBO=IE−IC
- 形象的比喻
- 整个载流子的过程就像非洲大草原上，野牛群的大迁徙。现在有一条河流截住了牛群们的路，它们必须度过河流才能到达广阔的青青草原。
- 基区内的空穴就相当于河里的鳄鱼，而由发射区扩散过来的自由电子就如同迁徙的牛群过河。如果基区里面的鳄鱼足够多，或者河流足够宽，迁徙的牛群绝大部分都会被消灭，所以基区不能做的很宽也不能高掺杂浓度。其实基区的工艺就决定了此区域内复合的程度，换句话说也就是牛群的通过率。假设基区里面的掺杂浓度使得100个电子，有10个电子会被复合掉，也就是电流IEN里面有10个电子被复合掉了，但是在图中的IBN方向（基极那块）又会很容易由VBB再产生10个。
- 集电结反偏，产生一个电场，类似抽水机把自由电子全都吸过去了，收集（前面提到的）集电极就类似牛羊要去的青青草原，如果渡过河的牛羊全部停留在河的岸边，后面的牛羊会逐渐拥挤，越来越跑不动，推不动前面的牛羊，河里面越来越多的牛羊会被鳄鱼吃掉。青青草原就把牛群吸引过去，整个电路才会处于正常的传输状态。
BJT的三种连接方式
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共基极
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共发射极
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共集电极
BJT的电流分配关系
- BJT共基极直流放大系数： α ˉ = I C N I E \bar{\alpha} =\frac{I_{CN}}{I_{E}} αˉ=IEICN它表达了IE转换为ICN的能力，显然 α ˉ < 1 \bar{\alpha} <1 αˉ<1接近1，一般在0.98以上。
- 因此，结合上述可得： I C = α ˉ I E + I C B O I_{C}=\bar{\alpha} I_{E}+I_{CBO} IC=αˉIE+ICBO当ICBO很小时，有： I C ≈ α ˉ I E I_{C}\approx \bar{\alpha} I_{E} IC≈αˉIE
- 由于IE=IC+IB，可以将上式代入BJT在共射极连接时输出电流IC受输入电流IB控制的电流分配关系，即： I C = α ˉ 1 − α ˉ I B + α ˉ 1 − α ˉ I C B O = β ˉ I B + I C E 0 O I_{C}=\frac{\bar{\alpha}}{1-\bar{\alpha}}I_{B}+\frac{\bar{\alpha}}{1-\bar{\alpha}}I_{CBO}= \bar{\beta}I_{B}+I_{CE0O} IC=1−αˉαˉIB+1−αˉαˉICBO=βˉIB+ICE0O其中 β ˉ = α ˉ 1 − α ˉ \bar{\beta}=\frac{\bar{\alpha}}{1-\bar{\alpha}} βˉ=1−αˉαˉ I C E O = 1 1 − α ˉ I C B O = ( 1 + β ˉ ) I C B O I_{CEO}=\frac{1}{1-\bar{\alpha}}I_{CBO}=(1+\bar{\beta})I_{CBO} ICEO=1−αˉ1ICBO=(1+βˉ)ICBO
- 共射极直流电流