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關於雙極接面電晶體 (BJT) 的一切
2024-03-21
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雙極結型電晶體的起源
在現代雙極接面電晶體中，矽已取代鍺作為基板，點接觸已被兩個相鄰耦合的 pn 接面取代。結構可採用pnp或npn形式。
電晶體是「傳輸電阻器」的縮寫，是一種多結半導體裝置。電晶體通常與其他電路元件集成，用於實現電壓、電流或訊號功率放大。
雙極電晶體，也稱為雙極結晶體管（BJT），是最重要的半導體元件之一，在高速電路、類比電路、功率放大等領域有著廣泛的應用。
例如，p型半導體就像一塊充滿許多孔洞（稱為電子電洞）的方形黏土，類似於龍蝦中看到的洞穴。 n型半導體也是一塊方形的黏土，但裡面充滿了許多龍蝦（自由電子）。當我們把這兩塊黏土黏在一起時，龍蝦就會爬向洞穴。
由於前排的洞穴已經幾乎耗盡，半導體產業將此區域稱為耗盡區。
就像一扇門：一個人向一個方向推門很容易，但如果你試圖向相反的方向推它就很難了。當然，你可以用很大的力量猛烈地推門，直到門被打破，這個過程我們稱之為路口擊穿。
查看PN接面的電流-電壓特性，曲線如下圖所示。
當反向偏壓施加到 PN 結時，就像在泥漿中給龍蝦望遠鏡一樣。龍蝦可以看得更遠，爬得更興奮，導致更多的龍蝦找到洞穴。因此，龍蝦的整體運動增加，半導體耗盡區的寬度擴大。
下圖顯示了 pnp 雙極電晶體的透視圖。製造過程以p型半導體為基板，利用熱擴散原理在p型基板上形成n型區域。隨後，透過熱擴散在該n型區域上形成高濃度p+型區域。最後，使用金屬覆蓋 p+、n 和下面的 p 型區域以形成歐姆接觸。
中間窄的n型區，雜質濃度適中，稱為基極（以B表示），基極區的寬度需要遠小於少數載子的擴散長度；
p型濃度最低的區域稱為集電極（以C表示）。假設每個區域內的濃度分佈均勻，pn接面的概念可以直接應用於電晶體內的接面。
在pnp雙極電晶體的結構中，以n型區域取代p型區域，以p型區域取代n型區域，得到npn雙極電晶體的結構。因此，電流方向和電壓極性也相反。
圖(a)顯示了處於熱平衡狀態的理想pnp雙極電晶體，其三個端子連接在一起或全部接地，陰影區域代表兩個pn接面的耗盡區。
圖(b)顯示了三個摻雜區的雜質濃度，其中射極區的摻雜濃度遠高於集電極區，基極區的摻雜濃度低於射極但高於集電極。
圖(c)描繪了耗盡區的電場分佈。
圖(d)顯示了電晶體的能帶圖，擴展了pn結的熱平衡狀態並將其應用於兩個相鄰耦合的p+ - n結和n - p結。
圖 (a) 顯示了作為共基極配置放大器連接的晶體管，其中基極在輸入和輸出電路之間共享。
圖 (b) 和 (c) 說明了與上圖所示的熱平衡狀態相比，偏壓條件下的電荷密度和電場分佈。射極-基極接面處的耗盡區寬度變窄，而集極-基極接面處的耗盡區變寬。
圖(d)顯示了工作在放大模式下的電晶體的能帶圖。射極-基極接面正向偏壓，導致電洞從p+射極區注入基極區，電子從基極區注入射極區。
另一方面，集電極-基極接面是反向偏壓的，允許反向飽和電流流動。如果基極區夠窄，從射極區注入到基極區的電洞可以擴散穿過基極區，到達集電極-基極耗盡區的邊緣，最終在集電極偏壓下流過集電極區。
這種傳輸機制產生了用於注入電荷載子的“發射器”和用於收集從相鄰結注入的載流子的“收集器”的名稱。
如果大部分注入的電洞不與基極區的電子複合而是到達集電極，則電洞引起的集電極電流將與射極電洞電流緊密匹配。
顯然，從相鄰發射極-基極接面注入的電洞可以在反向偏壓的集電極-基極接面中產生顯著的電流，從而導致電晶體的放大效應，只有當這兩個接面足夠接近時才會發生這種效應，因此稱為交互作用的 pn 結。
相反，如果這兩個pn接面相距太遠，所有進入的電洞都會在基極區與電子複合，而無法到達集電極區，導致電晶體失去放大作用。在這種情況下，pnp結構僅僅充當兩個背靠背連接的pn二極體。
電流增益：下圖說明了在放大模式下工作的理想 pnp 電晶體中的各種電流成分。假設耗盡區中沒有產生複合電流，則從射極區注入的電洞構成主要電流分量IEp。
基極有三種電流：IBB、IEn 和 ICn。
IBB表示基極提供的電子與入射電洞複合的電流（即IBB = IEp - ICp）； IEn 表示從基極區注入發射極區的電子電流，這是不需要的電流分量，可以透過發射極重摻雜或使用異質接面來減少； ICn表示由於熱效應在集極接面附近產生的、從集極區流向基極區的電子電流。
工作模式：根據射極-基極接面和集極-基極接面上的偏壓，雙極電晶體有四種工作模式。
下圖說明了 pnp 電晶體的四種工作模式及其與 VEB 和 VCB 的關係。圖中也顯示了每種工作模式下少數載流子的分佈。
例如，在放大模式下，發射極-基極接面正向偏置，而集極-基極接面反向偏壓。
在飽和模式下，電晶體的兩個接面都正向偏置，導致兩個接面的耗盡區中都存在少數載子。
在飽和模式下，小電壓可以導致大輸出電流，使電晶體處於類似短路的導通狀態。
在截止模式下，電晶體的兩個接面都反向偏置，導致邊界條件 pn(0) = pn(W) = 0。
在反向模式下，射極-基極接面反向偏壓，集極-基極接面正向偏壓。在此模式下，集電極用作發射極，反之亦然。然而，由於與基極區相比，集極區中的摻雜濃度較低，因此反相模式中的電流增益通常小於放大模式中的電流增益，從而導致較低的「發射效率」。
開關瞬態過程：在數位電路中，電晶體主要起開關的作用。透過使用小的基極電流，集電極電流可以在很短的時間內快速從關閉變為開啟（反之亦然）。在關閉狀態下，有高電壓和小電流，而在開啟狀態下，有低電壓和大電流。
異質接面雙極電晶體（HBT）
異質接面雙極電晶體 (HBT) 是指其中一個或兩個接面由不同的半導體材料製成的電晶體。
HBT 的主要優點是發射效率高，其使用方式與雙極電晶體類似。然而，HBT 具有更高的速度並且可以在更高的頻率下運行。由於這些特性，HBT 廣泛應用於光電子、微波和數位應用。在微波應用中，HBT 通常用於製造固態微波和毫米波功率放大器、振盪器和混頻器。
基本HBT結構：大多數HBT技術都是在AlxGa1-xAs/GaAs材料系統中開發的。基本的npn HBT結構由n型射極區中的寬帶隙AlxGa1-xAs層、p型基極區中的窄帶隙GaAs層以及由輕摻雜和重摻雜組成的n型集電極和次集電極區域組成分別為砷化鎵。
先進HBT：近年來，InP系列材料（如InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs）都得到了系統性研究，InP基異質結構有許多優點。 InP/InGaAs結構表現出極低的表面複合，並且InGaAs的電子遷移率遠高於GaAs，從而具有優異的高頻性能。
下圖描繪了典型的磷化銦基HBT的特性曲線，截止頻率高達254 GHz。此外，InP 在強電場下表現出比 GaAs 更高的漂移速度，並且還具有更高的擊穿電壓。
矽界面陷阱的低密度有助於減少表面複合電流，即使在低集電極電流下也能確保高電流增益。此外，與標準矽加工技術的兼容性是另一個極具吸引力的功能。
(a)中的圖示出了典型的Si/SiGe HBT結構，而(b)將Si/SiGe HBT的集電極電流與矽同質接面雙極電晶體的集極電流進行了比較，顯示Si/SiGe HBT表現出更高的電流增益。與砷化鎵和磷化銦基 HBT 相比，Si/SiGe
由於矽的載子遷移率較低，HBT 的截止頻率較低。
基本特性：下圖所示為閘流管元件的橫截面，該元件由三個串聯的pn接面（分別為J1、J2和J3）所構成的四層pnpn結構所組成。連接到接觸電極的最外層p層稱為陽極，而另一側的n層稱為陰極。這種結構無需額外的電極，代表一個兩端裝置，稱為pnpn二極體。
圖(c)示出了熱平衡狀態下閘流管元件的能帶圖。每個結都有耗盡層，內建電位由摻雜濃度決定。
如果在接近每個週期開始時施加閘極電流脈衝，則會將更多功率傳輸到負載。相反，延遲閘極電流脈衝將導致當晶閘管元件在週期結束時導通時，輸送到負載的功率顯著減少。
雙極結型電晶體是由貝爾實驗室的研究小組於 1947 年發明的。雖然以今天的標準來看，這第一台電晶體還很原始，但它極大地改變了整個電子產業和人類的生活方式。
在現代雙極接面電晶體中，矽已取代鍺作為基板，點接觸已被兩個相鄰耦合的 pn 接面取代。結構可採用pnp或npn形式。
電晶體是「傳輸電阻器」的縮寫，是一種多結半導體裝置。電晶體通常與其他電路元件集成，用於實現電壓、電流或訊號功率放大。
雙極電晶體，也稱為雙極結晶體管（BJT），是最重要的半導體元件之一，在高速電路、類比電路、功率放大等領域有著廣泛的應用。
什麼是PN結？
它是p型半導體和n型半導體接觸形成的結。
例如，p型半導體就像一塊充滿許多孔洞（稱為電子電洞）的方形黏土，類似於龍蝦中看到的洞穴。 n型半導體也是一塊方形的黏土，但裡面充滿了許多龍蝦（自由電子）。當我們把這兩塊黏土黏在一起時，龍蝦就會爬向洞穴。
最前面的龍蝦最先找到前排的洞穴。一旦前排的龍蝦爬進洞穴，後面的龍蝦就必須爬得更遠，尋找洞穴的難度就更大。
由於前排的洞穴已經幾乎耗盡，半導體產業將此區域稱為耗盡區。
PN結具有一種稱為整流的特性，它允許電流僅沿一個方向流動。
就像一扇門：一個人向一個方向推門很容易，但如果你試圖向相反的方向推它就很難了。當然，你可以用很大的力量猛烈地推門，直到門被打破，這個過程我們稱之為路口擊穿。
查看PN接面的電流-電壓特性，曲線如下圖所示。
當 PN 結施加正向偏壓時，就像給泥裡的龍蝦蒙上眼睛一樣。龍蝦變得近視，只能看到前排的洞穴。結果，龍蝦的整體運動減少，爬向洞穴的龍蝦數量也減少，從而減少了耗盡區域的寬度。
當反向偏壓施加到 PN 結時，就像在泥漿中給龍蝦望遠鏡一樣。龍蝦可以看得更遠，爬得更興奮，導致更多的龍蝦找到洞穴。因此，龍蝦的整體運動增加，半導體耗盡區的寬度擴大。
下圖中，(a)表示PN接面中耗盡區的正常寬度，(b)表示施加正向偏壓後的寬度，(c)表示施加反向偏壓後的寬度。
雙極電晶體的結構：
下圖顯示了 pnp 雙極電晶體的透視圖。製造過程以p型半導體為基板，利用熱擴散原理在p型基板上形成n型區域。隨後，透過熱擴散在該n型區域上形成高濃度p+型區域。最後，使用金屬覆蓋 p+、n 和下面的 p 型區域以形成歐姆接觸。
pnp雙極電晶體由三個不同摻雜濃度的區域組成，形成兩個pn接面。濃度最高的p+區稱為射極（以E表示）；
中間窄的n型區，雜質濃度適中，稱為基極（以B表示），基極區的寬度需要遠小於少數載子的擴散長度；
p型濃度最低的區域稱為集電極（以C表示）。假設每個區域內的濃度分佈均勻，pn接面的概念可以直接應用於電晶體內的接面。
下圖顯示了 pnp 雙極電晶體的電路符號，指示各種電流分量和電壓極性。箭頭和「+」、「-」符號代表電晶體一般工作模式(即放大模式、主動模式)下電流的方向和電壓的極性。在此模式下，射極-基極接面正向偏壓 (VEB > 0)，而集極-基極接面反向偏壓 (VCB < 0)。根據
基爾霍夫電路定律，對於這個三端元件，只有兩個獨立的電流；如果任兩個電流已知，則可以確定第三端電流。
基爾霍夫電路定律，對於這個三端元件，只有兩個獨立的電流；如果任兩個電流已知，則可以確定第三端電流。
npn雙極電晶體的結構和電路符號與pnp雙極電晶體互補。下圖顯示了pnp電晶體的理想結構和電路符號。
在pnp雙極電晶體的結構中，以n型區域取代p型區域，以p型區域取代n型區域，得到npn雙極電晶體的結構。因此，電流方向和電壓極性也相反。
了解pnp晶體管，可以透過簡單地交換極性和摻雜類型來描述npn晶體管。
雙極電晶體放大模式
圖(a)顯示了處於熱平衡狀態的理想pnp雙極電晶體，其三個端子連接在一起或全部接地，陰影區域代表兩個pn接面的耗盡區。
圖(b)顯示了三個摻雜區的雜質濃度，其中射極區的摻雜濃度遠高於集電極區，基極區的摻雜濃度低於射極但高於集電極。
圖(c)描繪了耗盡區的電場分佈。
圖(d)顯示了電晶體的能帶圖，擴展了pn結的熱平衡狀態並將其應用於兩個相鄰耦合的p+ - n結和n - p結。
下圖對應於上圖中所示的在放大模式下工作的電晶體。
圖 (a) 顯示了作為共基極配置放大器連接的晶體管，其中基極在輸入和輸出電路之間共享。
圖 (b) 和 (c) 說明了與上圖所示的熱平衡狀態相比，偏壓條件下的電荷密度和電場分佈。射極-基極接面處的耗盡區寬度變窄，而集極-基極接面處的耗盡區變寬。
圖(d)顯示了工作在放大模式下的電晶體的能帶圖。射極-基極接面正向偏壓，導致電洞從p+射極區注入基極區，電子從基極區注入射極區。
在理想二極體中，耗盡區中不存在產生-複合電流，因此從發射區注入到基區的電洞和從基區注入到發射區的電子構成射極電流。
另一方面，集電極-基極接面是反向偏壓的，允許反向飽和電流流動。如果基極區夠窄，從射極區注入到基極區的電洞可以擴散穿過基極區，到達集電極-基極耗盡區的邊緣，最終在集電極偏壓下流過集電極區。
這種傳輸機制產生了用於注入電荷載子的“發射器”和用於收集從相鄰結注入的載流子的“收集器”的名稱。
如果大部分注入的電洞不與基極區的電子複合而是到達集電極，則電洞引起的集電極電流將與射極電洞電流緊密匹配。
顯然，從相鄰發射極-基極接面注入的電洞可以在反向偏壓的集電極-基極接面中產生顯著的電流，從而導致電晶體的放大效應，只有當這兩個接面足夠接近時才會發生這種效應，因此稱為交互作用的 pn 結。
相反，如果這兩個pn接面相距太遠，所有進入的電洞都會在基極區與電子複合，而無法到達集電極區，導致電晶體失去放大作用。在這種情況下，pnp結構僅僅充當兩個背靠背連接的pn二極體。
電流增益：下圖說明了在放大模式下工作的理想 pnp 電晶體中的各種電流成分。假設耗盡區中沒有產生複合電流，則從射極區注入的電洞構成主要電流分量IEp。
大部分入射電洞將到達集電極並形成ICp。
基極有三種電流：IBB、IEn 和 ICn。
IBB表示基極提供的電子與入射電洞複合的電流（即IBB = IEp - ICp）； IEn 表示從基極區注入發射極區的電子電流，這是不需要的電流分量，可以透過發射極重摻雜或使用異質接面來減少； ICn表示由於熱效應在集極接面附近產生的、從集極區流向基極區的電子電流。
工作模式：根據射極-基極接面和集極-基極接面上的偏壓，雙極電晶體有四種工作模式。
下圖說明了 pnp 電晶體的四種工作模式及其與 VEB 和 VCB 的關係。圖中也顯示了每種工作模式下少數載流子的分佈。
例如，在放大模式下，發射極-基極接面正向偏置，而集極-基極接面反向偏壓。
在飽和模式下，電晶體的兩個接面都正向偏置，導致兩個接面的耗盡區中都存在少數載子。
在飽和模式下，小電壓可以導致大輸出電流，使電晶體處於類似短路的導通狀態。
在截止模式下，電晶體的兩個接面都反向偏置，導致邊界條件 pn(0) = pn(W) = 0。
在反向模式下，射極-基極接面反向偏壓，集極-基極接面正向偏壓。在此模式下，集電極用作發射極，反之亦然。然而，由於與基極區相比，集極區中的摻雜濃度較低，因此反相模式中的電流增益通常小於放大模式中的電流增益，從而導致較低的「發射效率」。
開關瞬態過程：在數位電路中，電晶體主要起開關的作用。透過使用小的基極電流，集電極電流可以在很短的時間內快速從關閉變為開啟（反之亦然）。在關閉狀態下，有高電壓和小電流，而在開啟狀態下，有低電壓和大電流。
異質接面雙極電晶體（HBT）
異質接面雙極電晶體 (HBT) 是指其中一個或兩個接面由不同的半導體材料製成的電晶體。
HBT 的主要優點是發射效率高，其使用方式與雙極電晶體類似。然而，HBT 具有更高的速度並且可以在更高的頻率下運行。由於這些特性，HBT 廣泛應用於光電子、微波和數位應用。在微波應用中，HBT 通常用於製造固態微波和毫米波功率放大器、振盪器和混頻器。
基本HBT結構：大多數HBT技術都是在AlxGa1-xAs/GaAs材料系統中開發的。基本的npn HBT結構由n型射極區中的寬帶隙AlxGa1-xAs層、p型基極區中的窄帶隙GaAs層以及由輕摻雜和重摻雜組成的n型集電極和次集電極區域組成分別為砷化鎵。
為了形成歐姆接觸，在發射極接觸和鋁砷化鎵層之間添加高摻雜的n型砷化鎵層。由於射極和基極區之間帶隙寬度的顯著差異，可以顯著提高共射極電流增益。相反，同質接面雙極電晶體不具有這樣的帶隙寬度差，因此，發射極區和基極區之間的摻雜濃度比必須顯著增加。這一根本區別將同質結與異質接面雙極電晶體區分開來。
先進HBT：近年來，InP系列材料（如InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs）都得到了系統性研究，InP基異質結構有許多優點。 InP/InGaAs結構表現出極低的表面複合，並且InGaAs的電子遷移率遠高於GaAs，從而具有優異的高頻性能。
下圖描繪了典型的磷化銦基HBT的特性曲線，截止頻率高達254 GHz。此外，InP 在強電場下表現出比 GaAs 更高的漂移速度，並且還具有更高的擊穿電壓。
另一種類型的異質接面是 Si/SiGe 材料系統，它為 HBT 應用提供了多種有吸引力的特性。與 AlGaAs/GaAs HBT 類似，Si/SiGe HBT 也受益於由於帶隙寬度差異而能夠進行重摻雜，從而實現高速性能。
矽界面陷阱的低密度有助於減少表面複合電流，即使在低集電極電流下也能確保高電流增益。此外，與標準矽加工技術的兼容性是另一個極具吸引力的功能。
(a)中的圖示出了典型的Si/SiGe HBT結構，而(b)將Si/SiGe HBT的集電極電流與矽同質接面雙極電晶體的集極電流進行了比較，顯示Si/SiGe HBT表現出更高的電流增益。與砷化鎵和磷化銦基 HBT 相比，Si/SiGe
由於矽的載子遷移率較低，HBT 的截止頻率較低。
第六節：閘流管元件及相關功率元件
晶閘管元件是關鍵的功率元件，能夠控制高電壓和大電流，使元件能夠從閉合或阻斷狀態轉變為斷開或導通狀態，反之亦然。它們的工作原理與雙極晶體管密切相關，涉及電子和電洞的傳導。
然而，它們的開關機制和結構與雙極電晶體不同，提供廣泛的電流和電壓控制能力。額定電流可以從幾毫安培到5000A以上，額定電壓超過10,000V。
然而，它們的開關機制和結構與雙極電晶體不同，提供廣泛的電流和電壓控制能力。額定電流可以從幾毫安培到5000A以上，額定電壓超過10,000V。
基本特性：下圖所示為閘流管元件的橫截面，該元件由三個串聯的pn接面（分別為J1、J2和J3）所構成的四層pnpn結構所組成。連接到接觸電極的最外層p層稱為陽極，而另一側的n層稱為陰極。這種結構無需額外的電極，代表一個兩端裝置，稱為pnpn二極體。
如果將另一個電極（稱為閘極）連接到內部 p2 層，則所得的三端元件稱為半導體控制整流器 (SCR) 或閘流管。
(b) 中的圖表顯示了晶閘管元件的典型摻雜分佈。首先以高電阻率 n 型矽晶圓作為起始材料（n 層），然後透過擴散步驟同時形成 p1 和 p2 層。最後，使用合金化或擴散在矽晶片的一側形成 n2 層。
圖(c)示出了熱平衡狀態下閘流管元件的能帶圖。每個結都有耗盡層，內建電位由摻雜濃度決定。
此圖展示了晶閘管元件的一個簡單應用，它可以調節從電源線傳送到負載的功率。例如，負載 RL 可以是燈泡或加熱器。每個週期輸送到負載的功率由晶閘管元件的閘極電流脈衝控制。
如果在接近每個週期開始時施加閘極電流脈衝，則會將更多功率傳輸到負載。相反，延遲閘極電流脈衝將導致當晶閘管元件在週期結束時導通時，輸送到負載的功率顯著減少。
這是有關雙極電晶體的所有資訊。
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