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晶体管结构及工作原理.doc
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晶体管结构及工作原理.doc
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晶体三极管知识
晶体三极管作为重要的半导体器件,其根本构造和工作原理需要掌握。下面具体介绍。
三极管的根本构造是两个反向连结的 pn 接面,如图 1 所示,可有 pnp 和 npn
两种组合。三个接出来的端点依序称为射极〔emitter, E〕、基极〔base, B〕和集
极〔collector, C〕,名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出
npn 与 pnp 三极管的电路符号,射极特别被标出,箭号所指的极为 n 型半导体,
和二极体的符号一致。在没接外加偏压时,两个 pn 接面都会形成耗尽区,将中
性的 p 型区和 n 型区隔开。
图 1 pnp(a)与 npn(b)三极管的构造示意图与电路符号。
三极管的电特性和两个 pn 接面的偏压有关,工作区间也依偏压方式来分类,这
里
我们先讨论最常用的所谓〞正向活性区〞(forward active),在此区 EB 极间的 pn 接
面维持在正向偏压,而 BC 极间的 pn 接面那么在反向偏压,通常用作放大器的三极管
都以此方式偏压。图 2(a)为一 pnp 三极管在此偏压区的示意图。 EB 接面的空乏
区由于在正向偏压会变窄,载体看到的位障变小,射极的电洞会注入到基极,基
极的电子也会注入到射极;而 BC 接面的耗尽区那么会变宽,载体看到的位障变大,
故本身是不导通的。图 2(b)画的是没外加偏压,和偏压在正向活性区两种情形
下,电洞和电子的电位能的分布图。
三极管和两个反向相接的 pn 二极管有什么差异呢?其间最大的不同局部就在
于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之 pnp 三极管为例,
射极的电洞注入基极的 n 型中性区,马上被多数载体电子包围遮蔽,然后朝集电极
方向扩散,同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达 BC 接面的耗尽区时,
会被此区的电场加速扫入集电极,电洞在集电极中为多数载体,很快藉由漂移电流
到达连结外部的欧姆接点,形成集电极电流 IC。 IC 的大小和 BC 间反向偏压的大小
关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合局部的电子流 IBrec,与由基极注入
射极的电子流 InB? E〔这局部是三极管作用不需要的局部〕。 InB? E 在射极与与电
洞复合,即 InB? E=I
Erec
。pnp 三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地
在图 3(a)中看出。
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图 3 (a) pnp 三极管在正向活性区时主要的电流种类;(b)电洞电位能分布及
注入的情形;(c)电子的电位能分布及注入的情形。
一般三极管设计时,射极的掺杂浓度较基极的高许多,如此由射极注入基极
的射极主要载体电洞〔也就是基极的少数载体〕IpE? B 电流会比由基极注入射极
的载体电子电流 InB? E 大很多,三极管的效益比拟高。图 3(b)和(c)个别画出电洞
和电子的电位能分布及载体注入的情形。同时如果基极中性区的宽度 WB 愈窄,
电洞通过基极的时间愈短,被多数载体电子复合的机率愈低,到达集电极的有效电
洞流 IpE? C 愈大,基极必须提供的复合电子流也降低,三极管的效益也就愈高。
集电极的掺杂通常最低,如此可增大 CB 极的崩溃电压,并减小 BC 间反向偏压的
pn 接面的反向饱和电流,这里我们忽略这个反向饱和电流。
由图 4(a),我们可以把各种电流的关系写下来:
射极电流 I
E
=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ I
Brec
+ InB? E (1a)
基极电流 IB= InB? E + I
Brec
= I
Erec
+ I
Brec
(1b)
集电极电流 I
C
=IpE? C= I
E
- I
Erec
- I
Brec
= I
E
- I
B
(1c)
式 1c 也可以写成
I
E
= I
C
+ I
B
射极注入基极的电洞流大小是由 EB 接面间的正向偏压大小来控制,和二极
体的情形类似,在启动电压附近,微小的偏压变化,即可造成很大的注入电流变
化。更准确的说,三极管是利用 V
EB
〔或 V
BE
〕的变化来控制 IC,而且提供之 IB 远
比 IC 小。npn 三极管的操作原理和 pnp 三极管是一样的,只是偏压方向,电流方
向均相反,电子和电洞的角色互易。pnp 三极管是利用 VEB 控制由射极经基极、
入射到集电极的电洞,而 npn 三极管那么是利用 V
BE
控制由射极经基极、入射到集电极
的电子,图 4 是二者的比拟。
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