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（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-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，每个电极伸出一个弓I脚，由电子和空穴同时参与导电。 BJT常见的

2、晶体管外形如右图所示。PNP 管(3Axx)锗管双极型晶体管硅管（双极型三极管分类图）NPN 管(3Bxx)PNP 管(3Cxx)NPN 管(3Dxx)（双极型晶体管外形图）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 何可分为：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

3、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。（A为NPN晶体管、B为PNP晶体管）（NPN型管的结构模型图）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 中分别弓I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7PN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。

4、其中最常见的是共发射极工 作模式。（a为放大状态、b为倒置状态）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，管载流子运动 如右

5、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1制。3、电学特性（BJT工作原理图）定义：（1）电流增益集电极电流IC和发射极电流七之间的关系可以用系数来说明 通常通过改善决定发射极注入效率（Y）和基区传输因子（气）的结构参数使电流参数得 到优化。其中，发射极注入效率（Y ）定义为：（吒

6、是基区的掺杂浓度，吒是发射区的掺杂浓度；Dp.新子在发射区中的扩散系，Dnb是 少、子在基区的扩散系数；可3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和畦的比值，因此发射区的掺杂浓度必须远大于基 区。【3】基区传输因子（气）定义为：cosh（W） 乳咱其中，LnBjDR孔是基区的少、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：1 u（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

7、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】趴-=组器件的雪崩击穿电压BV定义为：崩N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的温度特性来测量温度。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 0.1C，是目前精度最高的 CMOS温度传感器。但是其普遍存在功耗过

8、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】I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-发射极 电压之差与绝对温度 成正比关系。3）工作原理（模拟前端电路原理图）加上图所示，电路图的左半边是偏置电路，右半边是传感器核。由于电路中高增益运放 和两个上拉PMOS管构成负反馈环路，可得V=Vb。电阻七两端的电压为、，在电流密度 比例一定的情况下，通过调节偏置电阻Rb.的大小就可以调节偏置电流Ib.。图中，Q/基 极串联的电阻值

9、为R /5,其作用是在偏置电流中引以补偿，减小传感器核输出的两个电压 b.asVBE1和七2受到噪声的影响，从而提高了传感器的精度。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）1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

10、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）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

11、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】健，蕴玠，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. “Fundamentals of Power Semiconductor Devices.” 2008.【4】邓永辉.4H-SiC BJT功率期间结构和特性分析.2013（3）.【5】凡.基于BJT的温度传感器的研究与设计.2014（5）.【6 】Fathy.O et al. ” Counter Based CMOS Temperature Sensor For Low F