双极型晶体管及其在生活中的应用

1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（BipolarJunctionTransistor,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（BellLaboratory）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；（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）2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。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】：（NPN型管的结构模型图）（A为NPN晶体管、B为PNP晶体管）（a为放大状态、b为倒置状态）3（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IE。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IBN。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IC。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ICBO。3、电学特性（1）电流增益集电极电流IC和发射极电流IE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。（BJT工作原理图）4其中，发射极注入效率（Ƴ）定义为：（NB是基区的掺杂浓度，NE是发射区的掺杂浓度；DPE是电子在发射区中的扩散系数，DNB是少子在基区的扩散系数；WB和WE分别基区和发射区的宽度）想要改善发射极注入效率，必须减小NB和NE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，DnB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-5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。EC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VBE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VBE是一个与绝对温度成反比（CTAT）的电压，其斜率大约为6-2mV/°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Va=Vb。电阻Rbias两端的电压为VBE，在电流密度比例一定的情况下，通过调节偏置电阻Rbias的大小就可以调节偏置电流Ibias。图中，QBL的基极串联的电阻值为Rbias/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VBE1和VBE2受到噪声的影响2、利用BJT的小型Marx型脉冲发生器（模拟前端电路原理图）71）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】2）工作原理BJT作为开关的Marx型脉冲发生器的特点是开关速度快，输出可调,脉冲上升沿或下降沿极短，因此可产生极强的脉冲电场冲击等。【9】BJT集电极与发射极间雪崩击穿的过程具有快导通，快恢复，稳定性高等特点。与其他半导体开关元件相比，更适用于小型、快速、高频的Marx脉冲发生器，能实现其他半导体无法达到的纳秒级开关速度。【10】下图所示是利用双极型三极管制成的纳秒级Marx发生器的模拟电路图。（利用BJT的Marx发生器模拟电路图）8该发生器由级充放电回路组成，初级触发开关采用，可通过控制的导通来控制输出脉冲的频率。以9个同型号的BJT串联作为负载。该发生器体积小，工作稳定，适用于生物、医药等显微操作的场合。三、总结双极型三极管以其性能为优势，逐渐渗透到我们生活的各个领域。除了以上介绍的温度传感器和小型Marx发生器，BJT器件还被用来制成射极耦合逻辑器件，广泛运用于数字系统。除此之外，在现代集成技术中，还把BJT与MOSFET相结合，结合两者各自的性能特点构成BiMOS电路，获得了越来越多的应用。BJT器件具有良好的开发前景，值得学者们进行更深入的研究。9参考文献：【1】李健，杨蕴玠，李秀芬.电子电路中双极型三极管工作状态的判断.2001（8）.【2】王复亮.晶体管的倒置工作状态及其应用.2001（4）.【3】BaligaBJ.“FundamentalsofPowerSemiconductorDevices.”2008.【4】邓永辉.4H-SiCBJT功率期间结构和特性分析.2013（3）.【5】杨凡.基于BJT的温度传感器的研究与设计.2014（5）.【6】Fathy.Oetal.”CounterBasedCMOSTemperatureSensorForLowFrequencyApplications”,2010（12）.【7】李孜，张渊博.开关用BJT的特性研究和PSPICE仿真.2016（7）.【8】王嘉煜,何军鹏,闫自让.Marx发生器开关击穿特性研究.2014（3）.【9】周丽霞.大容量输电长线可控并联补偿与潜供电弧抑制的研究.2009.【10】李孜,黄茨.利用BJT开关的Marx型脉冲发生器.2013（1）.