一、雙極結型晶體管概述

雙極結型晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT），也常被稱為半導體三極管或三極管，是一種具有三個終端的電子器件。它由三部分摻雜程度不同的半導體材料組成，分別是發射區、基區和集電區。這種晶體管的工作方式涉及電子和空穴兩種載流子的流動，因此被稱為雙極性的。BJT因其出色的信號放大、功率控制及高速工作能力，在電子領域得到了廣泛應用，如構成放大器電路、驅動揚聲器和電動機等設備，并廣泛應用于航空航天、醫療器械和機器人等領域。

二、雙極結型晶體管的工作原理

雙極結型晶體管的工作原理基于電子和空穴在PN結處的擴散和漂移作用。具體來說，BJT通過控制基極電流來影響發射極和集電極之間的電流，從而實現信號的放大和開關控制。

1. 截止狀態 ：當BJT的基極與發射極之間無電壓或電壓很低時，發射結處于反向偏置狀態，此時發射極電子難以注入基極，集電結也處于反向偏置狀態，阻止集電極收集電子，因此BJT處于截止狀態，幾乎沒有電流通過。
2. 放大狀態 ：當在基極和發射極之間加上正向電壓時，發射結處于正向偏置狀態，發射極電子通過擴散作用進入基極區域。由于基極區域較薄且摻雜濃度較低，電子在基極內與空穴復合較少，大部分電子繼續通過漂移作用進入集電極區域，形成集電極電流。此時，基極電流的微小變化會導致集電極電流發生較大變化，從而實現信號的放大。
3. 飽和狀態 ：當基極電流增加到一定程度時，發射極電子大量注入基極區域，使得基極-集電極之間的電壓降低，集電結正向偏置程度增加，集電極收集電子的能力減弱。此時，集電極電流不再隨基極電流的增加而顯著增加，BJT進入飽和狀態。

三、雙極結型晶體管的結構

BJT的結構主要由發射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）三部分組成，以及兩個關鍵的PN結：發射結和集電結。

1. 發射極（Emitter） ：發射極是BJT的輸出端，通常由高摻雜的N型半導體材料制成（在PNP型BJT中為P型）。發射極的主要作用是向基極發射電子。發射極的面積相對較大，以提供足夠的電子注入量。
2. 基極（Base） ：基極是BJT的控制端，通常由輕摻雜的P型半導體材料制成（在PNP型BJT中為N型）?；鶚O區域較薄且摻雜濃度較低，以便在較小的基極電流控制下實現較大的集電極電流變化。基極的主要作用是控制從發射極注入的電子數量，并引導電子流向集電極。
3. 集電極（Collector） ：集電極是BJT的輸入端（盡管在功能上更接近于輸出端），通常由高摻雜的N型半導體材料制成（在PNP型BJT中為P型）。集電極的主要作用是收集從發射極發射并經基極控制后流向集電極的電子，形成集電極電流。集電極的面積相對較大，以便收集更多的電子。
4. PN結 ：BJT中的兩個PN結——發射結和集電結——是實現其功能的關鍵。發射結位于發射極和基極之間，用于正向偏置時發射電子；集電結位于基極和集電極之間，用于反向偏置時收集電子。PN結的導電性質決定了BJT的工作特性。

四、雙極結型晶體管的類型

根據PN結組合方式的不同，BJT可分為PNP型和NPN型兩種類型。

1. PNP型BJT ：PNP型BJT的發射極、基極和集電極分別為P型、N型和P型半導體材料制成。在正向偏置時，發射極的空穴向基極擴散，基極的電子向集電極漂移，形成集電極電流。PNP型BJT在電路中的應用相對較少，但在某些特定場合下仍具有獨特的優勢。
2. NPN型BJT ：NPN型BJT的發射極、基極和集電極分別為N型、P型和N型半導體材料制成。在正向偏置時，發射極的電子向基極擴散，基極的空穴被復合或繼續向集電極漂移（實際上主要是電子的漂移作用），形成集電極電流。NPN型BJT因其良好的性能和應用廣泛性，在電子電路中占據了主導地位。

五、雙極結型晶體管的應用

雙極結晶體管有兩種類型的應用：開關和放大。

1、晶體管作為開關

在開關應用中，晶體管工作在飽和區或截止區。在截止區域，晶體管充當打開的開關，而在飽和區域，它充當關閉的開關。

打開開關

在截止區域（兩個結都反向偏置）， CE 結兩端的電壓非常高。輸入電壓為零，因此基極和集電極電流都為零，因此BJT 提供的電阻非常高（理想情況下為無窮大）。

閉合開關

在飽和狀態下（兩個結都正向偏置），高輸入電壓施加到基極，導致大基極電流流動。這導致集電極-發射極結上的電壓降較?。?.05 至 0.2 V），集電極電流較大。小電壓降使BJT 的作用就像一個閉合開關。

2、BJT作為放大器

單級 RC 耦合 CE 放大器

該圖顯示了單級 CE 放大器。 C1和C3是耦合電容器，它們用于阻擋直流分量并僅通過交流部分，它們還確保即使在施加輸入之后BJT的直流基礎條件也保持不變。 C2是旁路電容器，它增加電壓增益并旁路交流信號的R4電阻器。

使用必要的偏置組件對 BJT在有源區域進行偏置。 Q點在晶體管的有源區變得穩定。當如下所示施加輸入時，基極電流開始上下變化，因此集電極電流也隨著IC = β × I B。因此，R 3上的電壓隨著集電極電流流經它而變化。 R 3兩端的電壓是放大后的電壓，與輸入信號相差180 ° 。因此，R3兩端的電壓耦合到負載并發生放大。如果Q點保持在負載中心，則波形失真將非常小或不會發生。CE放大器的電壓和電流增益都很高(增益是電流電壓從輸入到輸出增加的因素)。它通常用于收音機和低頻電壓放大器。

為了進一步增加增益，使用了多級放大器。它們根據應用通過電容器、變壓器、RL 或直接耦合進行連接。總增益是各個階段增益的乘積。

六、雙極結型晶體管的應用領域

雙極結型晶體管（BJT）因其獨特的性能特點，在電子領域得到了廣泛應用。以下是BJT的幾個主要應用領域：

1. 放大器電路 ：
   • BJT能夠放大微弱的信號，是構成各種放大器電路的核心元件。通過調整BJT的工作狀態，可以實現電壓放大、電流放大或功率放大等功能。
   • 在音頻放大器、射頻放大器等場合，BJT能夠提供高增益、低噪聲的放大性能，確保信號的清晰傳輸和有效放大。
2. 開關電路 ：
   • BJT在飽和狀態和截止狀態之間切換時，可以作為電子開關使用。通過控制基極電流，可以方便地實現電路的通斷控制。
   • 在數字電路、邏輯電路等領域，BJT作為開關元件廣泛應用于門電路、觸發器等電路中，實現邏輯功能的實現和信號的傳輸。
3. 驅動設備 ：
   • BJT能夠驅動各種負載設備，如揚聲器、電動機等。通過調整BJT的輸出電流和電壓，可以控制負載設備的運行狀態和性能參數。
   • 在音響系統、自動化控制系統等領域，BJT作為驅動元件發揮著重要作用。
4. 其他應用領域 ：
   • BJT還廣泛應用于航空航天工程、醫療器械、機器人等領域。在這些領域中，BJT的高性能、高可靠性和長壽命等特點得到了充分發揮。

七、雙極結型晶體管的發展

隨著電子技術的不斷發展，雙極結型晶體管也在不斷進步和完善。以下是BJT發展的幾個主要方向：

1. 材料改進 ：
   • 早期的BJT主要由鍺制成，但由于鍺的禁帶寬度較窄且容易產生熱失控，現代BJT大多采用硅材料制成。硅材料具有更好的穩定性和可靠性，且儲量豐富，成本低廉。
   • 此外，隨著新材料技術的不斷發展，化合物半導體材料如砷化鎵（GaAs）也開始應用于BJT的制造中?；衔锇雽w材料具有更高的電子遷移率和更好的高頻性能，適用于高速、高頻電子器件的制造。
2. 工藝優化 ：
   • 隨著微電子技術的不斷發展，BJT的制造工藝也在不斷優化。通過減小BJT的尺寸、提高摻雜精度和改善界面質量等措施，可以進一步提高BJT的性能和可靠性。
   • 同時，新型制造工藝如離子注入、分子束外延等技術的應用，也為BJT的制造提供了更多的可能性。
3. 集成化 ：
   • 隨著集成電路技術的不斷發展，BJT開始與場效應晶體管（如MOSFET）等其他類型的晶體管集成在一起，形成混合集成電路（如BiCMOS技術）。這種集成方式可以充分利用不同類型晶體管的優點，提高整體電路的性能和可靠性。
4. 新型結構 ：
   • 為了滿足不同應用場合的需求，研究人員還開發了多種新型結構的BJT。例如，異質結BJT、垂直溝道BJT等新型結構在性能上有所突破，為BJT的應用提供了新的選擇。

八、結論

雙極結型晶體管作為電子學歷史上具有革命意義的一項發明，在電子領域發揮著重要作用。其獨特的工作原理和結構特點使得BJT在放大器電路、開關電路、驅動設備等多個領域得到了廣泛應用。隨著材料改進、工藝優化、集成化和新型結構的發展，BJT的性能和可靠性將不斷提高，為電子技術的進一步發展提供有力支持。同時，我們也期待在未來能夠看到更多創新性的BJT技術和應用出現，為人類社會帶來更多的便利和進步。