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[導讀]雙極性晶體管(英語:bipolar transistor),全稱雙極性結型晶體管(bipolar junction transistor, BJT),俗稱三極管,是一種具有三個終端的電子器件,由三部分摻雜程度不同的半導體制成,晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。

雙極性晶體管(英語:bipolar transistor),全稱雙極性結型晶體管(bipolar junction transistor, BJT),俗稱三極管,是一種具有三個終端的電子器件,由三部分摻雜程度不同的半導體制成,晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。這種晶體管的工作,同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動,因此它被稱為雙極性的,所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場效應管的單極性晶體管不同,后者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區(qū)域之間的邊界由PN結形成。雙極性晶體管能夠放大信號,并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力,所以它常被用來構成放大器電路,或驅動揚聲器、電動機等設備,并被廣泛地應用于航空航天工程、醫(yī)療器械和機器人等應用產(chǎn)品中。

雙極性晶體管是電子學歷史上具有革命意義的一項發(fā)明,其發(fā)明者威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·布喇頓被授予了1956年的諾貝爾物理學獎。這種晶體管的工作,同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動,因此它被稱為雙極性的,所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場效應管的單極性晶體管不同,后者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區(qū)域之間的邊界由PN結形成。雙極性晶體管由三部分摻雜程度不同的半導體制成,晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。以NPN晶體管為例,按照設計,高摻雜的發(fā)射極區(qū)域的電子,通過擴散作用運動到基極。在基極區(qū)域,空穴為多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。由于基極區(qū)域很薄,這些電子又通過漂移運動到達集電極,從而形成集電極電流,因此雙極性晶體管被歸到少數(shù)載流子設備。雙極性晶體管能夠放大信號,并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力,所以它常被用來構成放大器電路,或驅動揚聲器、電動機等設備,并被廣泛地應用于航空航天工程、醫(yī)療器械和機器人等應用產(chǎn)品中。

NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽極的兩個二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態(tài)下,基極-發(fā)射極結(稱這個PN結為“發(fā)射結”)處于正向偏置狀態(tài),而基極-集電極(稱這個PN結為“集電結”)則處于反向偏置狀態(tài)。在沒有外加電壓時,發(fā)射結N區(qū)的電子(這一區(qū)域的多數(shù)載流子)濃度大于P區(qū)的電子濃度,部分電子將擴散到P區(qū)。同理,P區(qū)的部分空穴也將擴散到N區(qū)。這樣,發(fā)射結上將形成一個空間電荷區(qū)(也成為耗盡層),產(chǎn)生一個內(nèi)在的電場,其方向由N區(qū)指向P區(qū),這個電場將阻礙上述擴散過程的進一步發(fā)生,從而達成動態(tài)平衡。這時,如果把一個正向電壓施加在發(fā)射結上,上述載流子擴散運動和耗盡層中內(nèi)在電場之間的動態(tài)平衡將被打破,這樣會使熱激發(fā)電子注入基極區(qū)域。在NPN型晶體管里,基區(qū)為P型摻雜,這里空穴為多數(shù)摻雜物質,因此在這區(qū)域電子被稱為“少數(shù)載流子”。從發(fā)射極被注入到基極區(qū)域的電子,一方面與這里的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復合,另一方面,由于基極區(qū)域摻雜程度低、物理尺寸薄,并且集電結處于反向偏置狀態(tài),大部分電子將通過漂移運動抵達集電極區(qū)域,形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達集電結之前發(fā)生的復合,晶體管的基極區(qū)域必須制造得足夠薄,以至于載流子擴散所需的時間短于半導體少數(shù)載流子的壽命,同時,基極的厚度必須遠小于電子的擴散長度(diffusion length,參見菲克定律)。在現(xiàn)代的雙極性晶體管中,基極區(qū)域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是,集電極、發(fā)射極雖然都是N型摻雜,但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同,因此必須將雙極性晶體管與兩個相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區(qū)分開來。

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