双极型晶体管及其在生活中的应用

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。

双极型三极管按材料可分为

锗半导体三极管和硅半导体三极

管，在这两种三极管中又可按结构可分为：NPN 型管和PNP 型管。

由于电子的迁移率比空穴的高，

NPN 型BJT 应用的空间相较于PNP 型BJT 更广泛。此外，双极

型三极管按功率耗散能力大小可分为小功率管、中功率管、大功

率管；按工作频率的高低可分为低频管、高频管、微波管；按制造工艺又可分为合金管、合金扩散管、台式管、外延平面管。

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。

（双极型晶体管外形图） PNP 管（3Axx ）

双极型晶体管 锗管

硅管 NPN 管（3Bxx ）

PNP 管（3Cxx ）

NPN 管（3Dxx ） （双极型三极管分类图） （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。