双极晶体管(BJT) -结构和操作细节

双极晶体管或BJT是一种3端半导体器件，能够将小信号输入电压和电流放大或切换到更大的输出信号电压和电流。

双极结晶体管BJTs是如何发展的

在1904-1947年间，真空管毫无疑问是一种令人好奇且发展迅速的电子设备。1904年，j·a·弗莱明发明了真空管二极管。不久之后，在1906年，李·德·福里斯特(Lee De Forest)用第三个特征增强了这个装置，即控制栅极，产生了第一个放大器，并将其命名为三极管。

在随后的几十年里，广播和电视给地铁行业带来了巨大的灵感。电子管的制造从1922年的大约100万管上升到1937年的大约1亿管。20世纪30年代初，4元素四极管和5元素五极管在电子管行业获得了普及。

在接下来的几年里，制造部门发展成为最重要的部门之一，这些模型在生产方法、高功率和高频应用以及小型化方向上得到了迅速的改进。

然而，在1947年12月23日，电子工业将见证一个全新的“兴趣方向”和改进的到来。结果，就在那天中午，沃尔特·h·布拉顿和约翰·巴丁在贝尔电话实验室展示并证明了第一个晶体管的放大功能。

第一个晶体管(以点接触型晶体管的形式出现)如图3.1所示。

图片来源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

与电子管相比，这款3针固态单元的积极方面是显而易见的:它的体积要小得多，可以在没有“加热器”或热损耗的情况下工作，坚固耐用，在电力使用方面效率更高，可以很容易地存储和访问，不需要任何初始升温启动，而且工作电压要低得多。

晶体管结构

晶体管基本上是一种由3层半导体材料构成的器件，其中要么使用2n型材料和单一的p型材料层，要么使用2p型材料和单一的n型材料层。第一种被称为NPN型晶体管，而第二种变种被称为PNP型晶体管。

在适当的直流偏置下，这两种类型都可以在图3.2中可视化。

我们已经学过了以下是直流偏置成为建立所需的操作区域和AC放大的必要条件。为此，发射极侧层的掺杂较基侧明显，基侧的掺杂不明显。

与p型或n型夹芯材料相比，外层由厚度大得多的层构成。在上图3.2中，我们可以发现该类型的总宽度相对于中心层的比例约为0.150/0.001:150:1。在夹层上实施的掺杂也相对低于通常范围为10:1或更小的外层。

这种降低的掺杂水平降低了材料的导电能力，并通过限制的数量增加了电阻性质自由移动的电子或“自由”载流子。

在偏置图中，我们还可以看到器件的终端使用大写字母E表示发射极，C表示集电极，B表示基极，在我们未来的讨论中，我将解释为什么这些终端具有这种重要性。

此外，术语BJT是用来缩写双极晶体管和指定这3终端设备。短语“双极”表示掺杂过程中涉及的空穴和电子与极性相反的物质的相关性。

晶体管的操作

现在让我们借助图3.2的PNP版本来了解BJT的基本工作原理。如果电子和空穴的参与只是简单地交换，NPN对应的工作原理将是完全相似的。

如图3.3所示，PNP晶体管被重绘，消除了基极对集电极的偏置。我们可以想象如何耗尽区域看起来在宽度上缩小，由于诱导偏置，这导致了大量的流动多数航空公司跨越p-到n-型材料。

如果pnp晶体管的基极-发射极偏置被移除，如图3.4所示，大多数载流子的流量变为零，只允许少数载流子的流量。

在有偏见的情况下，我们可以简单地理解这一点BJT的一个p-n结变成反向偏置，而另一个结是正向偏置。

在图3.5中，我们可以看到两个偏置电压被应用到pnp双极晶体管，这导致指示的多数和少数载流子流。在这里，从耗竭区域的宽度，我们可以清楚地看到哪个接点具有正向偏置条件，哪个是反向偏置条件。

如图所示，大量的多数载流子最终被扩散通过正向偏压p-n结到n型材料。这给我们提出了一个问题，这些载体能否在促进基流IB或使其直接流入p型材料中发挥重要作用?

考虑到夹在中间的n型内容物非常薄，并且具有最小的导电性，很少的载流子会在基极端采用这种高电阻的特殊路径。

对于发射极和集电极电流，基极电流通常在微安左右，而不是毫安左右。

如图3.5所示，这些主要载流子的更大范围将沿着反向偏置结扩散到连接到集电极终端的p型材料中。

这种允许多数载流子通过反向偏置结的相对容易背后的实际原因是通过反向偏置二极管的例子快速实现的，其中诱导多数载流子在n型材料中作为少数载流子出现。

换句话说，我们发现在n型基带材料中引入了少数载流子。有了这些知识，以及对二极管来说，耗尽区所有的少数载流子都会穿过反向偏置结，从而导致电子的流动，如图3.5所示。

假设图3.5中的晶体管为单节点，应用基尔霍夫电流定律可得:

我_E=我_C+我_B

这表明发射极电流等于基极电流和集电极电流之和。

然而集电极电流是由几个元素组成的，如图3.5所示，这两个元素即多数载流子和少数载流子。

这里的小电流载流子元件构成了泄漏电流，并被表示为ICO(电流IC有一个开放的发射极终端)。

因此，建立集电极网电流如式3.2所示:

我_C=我_Cmajority+我_COminority

对于所有通用晶体管，集电极电流IC的测量单位是mA，而ICO的计算单位是uA或nA。

ICO行为很像一个反向偏置二极管,因此可以容易受到温度变化,因此必须妥善照顾,而测试,尤其是在电路设计工作在不同温度范围内的场景,否则结果可以大大由于温度因素的影响。

也就是说，由于现代双极晶体管结构布局的许多先进改进，ICO显著减少，可以完全忽略所有今天的bjt。

在下一章中，我们将学习如何在公共基模式下配置bjt。

引用:https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen