【收藏】双极结型晶体管(BJT)：结构、工作原理和关键参数全揭秘

晶体管，作为不可或缺的半导体器件，广泛应用于工业、科学等众多领域的各类电子设备中。在电路控制领域，它的发现被视为一个重要的里程碑，因其常被用作放大器和开关，发挥着核心作用。

双极结型晶体管简介

双极结型晶体管(BJT) 是三端半导体器件，通常由两种硅晶体（称为 p 型和 n 型）通过掺杂制成。p 型半导体含有过量的空穴，n 型半导体含有过量的电子。

根据这些半导体材料的交替排列，有两种类型：

● NPN 晶体管

● PNP 晶体管

在 NPN 晶体管中，一层薄薄的 p 型半导体材料夹在两种 n 型材料之间，形成两个 pn 结。

在 PNP 晶体管中，n 型半导体材料被切片在两种 p 型材料之间。

双极结型晶体管的结构和工作原理

如图1所示，晶体管的主要元件是

● 发射器

● 底座

● 收集器

图 1：双极结型晶体管的图示       来源：Rakesh Kumar，博士

● 发射器经过重度掺杂，在施加电压时会发射电子。

● 基极掺杂较轻，且相对较薄。

● 收集极经过适度掺杂，且相对较宽，方便收集电子。

● NPN三极管的发射极和集电极是n型半导体材料，基极是p型半导体。

● PNP三极管的发射极和集电极是p型半导体材料，基极是n型。

当施加电压时，电荷载流子从发射极区域迁移到基极区域，随后被吸引到集电极区域。

通过改变电荷载体的迁移率，可以利用基极电流的微小变化来调节较大的集电极电流。这一基本原理使双极结型晶体管能够用作开关或放大器。

双极结型晶体管的制造

制备BJT的技术有很多，例如溅射、离子注入、热扩散等。如图2所示，讨论了制备双扩散晶体管的离子注入工艺。

图 2：双极结型晶体管制造过程图解       来源：MDPI

● 该过程从硅晶片开始，通常是用于 npn 晶体管的 n 型硅，如图 2 a 所示。

● 利用正离子束在n型硅片上形成p型基区，如图2b、c所示。离子扩散的深度取决于所施加的粒子束的能量和剂量。

● 随后，通过对晶圆施加负离子束，在晶圆上形成 n+ 掺杂的发射极区域。此过程可确保发射极处负粒子的浓度更高，如图 2d 所示。

● 在晶圆上，涂有一层惰性层（通常是二氧化硅（SiO2）），如图 2e 所示，以防止半导体元件电气特性的改变。

● 在掺杂工序后，对晶圆进行加热，对半导体材料进行退火处理，以提高器件的电气特性，减少缺陷。

● 引入金属触点到晶圆，将内部半导体区域连接到外部端子，如图 f 所示。金线通常用于这些连接，因为它们具有优异的导电性和抗氧化性。

● 晶圆被分割成单个器件，每个器件包含数千甚至数百个晶体管。之后，每个晶体管被封装起来。

● 根据晶体管的用途，有不同的封装类型可供选择。除了提供保护外，封装还允许晶体管连接到外部电路。

影响双极结型晶体管的关键参数

双极结型晶体管的效率受多种变量影响，例如基极、发射极和集电极的尺寸、形状和掺杂浓度。温度、工作点、辐射暴露和制造因素是直接影响 BJT 结构中电荷载流子运动的其他关键特性。

以下部分讨论可能影响 BJT 的行为和输出信号的主要参数：

温度

BJT 的许多特性（包括电流增益、集电极电流和基极-发射极电压）都受温度影响。温度升高会导致载流子浓度上升，基极区内复合减少。

温度升高会导致从发射极到集电极的电荷载流子注入增加。结果，基极-发射极电压降低，集电极电流和电流增益通常会上升。

温度变化会导致 BJT 输出产生噪声。一种有效的方法是使用反馈电路来监控和调整由温度引起的基极-发射极电压或集电极电流波动。

光入射

如果BJT封装是透明的，入射光可以作为基极电流，使半导体产生电子空穴对，从而增加集电极电流。这是光电晶体管的工作原理。与光电二极管相比，这些光电晶体管具有更高的灵敏度。

由于电流增益因素，这些光电晶体管产生的光电流可能比光电二极管多 10 倍。这种行为可能会对 BJT 产生的输出信号产生影响。因此，理想 BJT 使用的大多数封装都是不透明或黑色的，对光不敏感。

工作点

工作点的变化会显著影响 BJT 输出信号以及电流增益。BJT 的工作点主要由基极电流和集电极-发射极电压决定。

由于 Early 效应或基极宽度调制，对于给定的基极电流值，BJT 增益会随着集电极-发射极电压 (VCE) 的增加而增加。例如，对于恒定的输入基极电流，需要将其放大 β 倍，如果 VCE 增加，增益也会增加。

增益的增加会导致 BJT 的输出集电极电流 (IC) 波动。这种波动会导致噪声的产生。为了避免这种情况，需要部署一个经过良好调节的电压源来保持 VCE 恒定。

电应力

封装过程中的机械应力会显著影响晶体管的电性能。然而，解决晶体管中由各种条件引起的电应力更为重要。

电应力可能由高基极电流、基极-发射极结上的反向偏置、电压尖峰等引起。它们可能由于半导体中的电荷捕获和界面缺陷而降低BJT增益。

辐射

暴露于X射线或粒子束等电离辐射会降低 BJT 增益，并由于半导体晶格的位移损伤而增加输出电阻。

制造参数

BJT 制造过程中的掺杂水平、发射极/基极区域的几何形状和加工条件决定了 BJT 增益和其他参数的初始值。

要点汇总

● 双极结型晶体管是电子设备中必不可少的半导体器件，通常用作放大器或开关。

● 由排列成 NPN 或 PNP 结构的 p 型和 n 型半导体材料组成。BJT 的结构包括发射极、基极和集电极区域，每个区域都有特定的掺杂水平和功能。

● 温度、入射光、工作点和制造参数等因素都会影响BJT 的效率和性能。

● 电应力、机械应力和辐射暴露等挑战也会影响BJT的功能，需要小心处理和调节；因此，正确理解BJT的结构和工作至关重要。