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、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（双极型晶体管外形图）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

2、与导电。BJT常见的晶体管外形如右图所示。锗管PNP 管（3Axx）NPN 管（3Bxx）双极型晶体管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PNP 管（3Cxx）管。由于电子的迁移率比空穴的硅管（双极型三极管分类图）NPN 管（3Dxx）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

3、中间的称为 NPN策电结集电区基区发射极发射区发射结B I基擬（NPN型管的结构模型图）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（巳、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

4、是共发射极工 作模式。当BJT中两个PN【1】：结偏置条件不同时，BJT将呈现不同的工作状态rEClr-（a为放大状态、b为倒置状态）（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。（BJT工作原理图）（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，

5、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（？）和基区传输因子（aT）的结构参数使电流参数得到 优化。其中，发射极注

6、入效率（？）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N e的比值，因此发射区的掺杂浓度必须远大于基区。【3】其中,是基区的少子扩散长度,DnB是少子在基区的扩散系数。基区传输因子（aT）定义为:1W2-woP CLnB»WB>cosh( )nBBJT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

7、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。器件的雪崩击穿电压 BV定义为: 其中，？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

8、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-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一发射极电压之差与绝对 温度成正比关系。3）工作原理DEM（模拟前端电路原理图）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Rb

9、ias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 Vbei和VBE2受到噪声的影响 从而提高了传感器的糰更2、利用BJT的小型Marx型脉冲发生器1 ）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

10、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】F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）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

11、、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。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 】 Baliga BJ.“ Fun dame ntals of Power Semic on ductor Devices.” 2008.【4】邓永辉.4H-SiC BJT功率期间结构和特性分析.2013 （ 3）.Low【5】 杨凡.基于BJT的温度传感器的研究与设计.2014 （ 5）.【6】Fathy.O et al.” CounterBased CMOS TemperatureSensorForFrequency Ap