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晶体三极管

[拼音]:jingti sanjiguan

[外文]:transistor

由半导体材料制成的有源三端器件,是一种非常重要的固态电子器件。晶体三极管几乎能完成电子管的所有功能,诸如放大、整流、振荡、开关等,它还是集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的基础和关键器件。

发展简况

1948年,美国J.巴丁、W.H.布喇顿和W.B.肖克莱发明晶体三极管。次年,肖克莱提出PN结和面结型晶体管理论。此后,相继出现锗PNP合金管、合金扩散管和台面晶体管等。1960~1962年,硅平面型晶体管问世,为低噪声和大功率器件以及大规模集成电路的发展打下基础。1935年,O.海尔提出薄膜场效应晶体管的最初设想和结构模型,但工艺上未能实现。1952年,肖克莱发表了单极晶体管即结型场效应晶体管(JFET)的基本理论,1953年制出硅结型场效应晶体管。在此基础上,1960年出现了硅MOSFET,1966年研制成功砷化镓MESFET。

种类

晶体三极管包括结型晶体管和场效应晶体管(FET)。在结型晶体管中,因有两种载流子(空穴和电子)同时参与导电,故又称为双极型晶体管。在场效应晶体管中,只有一种载流子(空穴或电子)参与导电,故又称为单极晶体管。晶体三极管所用的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。

依结构和工艺的不同,结型晶体管分点接触型和面结型两类。面结型晶体管又可分为合金管、合金扩散管、台面管和平面管等。硅平面型晶体管作为分立器件和双极型集成电路的基础器件应用最为广泛。场效应晶体管主要分为结型场效应晶体管(JFET)、金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅场效应晶体管(IGFET)和肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)。MOSFET作为MOS 集成电路器件应用极其广泛。用砷化镓材料制成的MESFET将是用于新一代计算机、超高速集成电路的关键器件。

工作原理

结型晶体三极管是一种电流控制器件,有NPN和PNP两种结构形式(图1)。它由三个区域(即发射区、基区和集电区)构成,这三个区域分别称为发射极、基极和集电极。结型晶体三极管含有两个PN结,分别称为发射结和集电结。以NPN晶体管为例,在正常工作条件下,发射结被正向偏置,集电结被反向偏置。发射极的正向偏压使发射极-基极势垒降低,而集电极的反向偏压使集电极-基极势垒升高。发射极-基极势垒的降低造成电子向基极注入和空穴向发射极注入。注入的空穴构成发射极空穴电流,注入的电子在基区是少数载流子,其中,一些电子在基区中与空穴复合,但是大多数未复合的注入电子经扩散和漂移作用抵达集电结。抵达集电结的电子被集电极吸收成为集电极电流,因此,发射结注入的载流子能使反偏的集电结流过大电流,这就是晶体管作用的基础。不过,这种作用只有在两个结的位置靠得很近时才存在。

场效应晶体管是一种电压控制器件,它的横向电流由一外加的垂直电场所控制。图2为N沟道JFET结构。器件的有源区为夹在两个重掺杂的P+栅区之间的N型沟道。上边及下边的P+栅区通过内连接或外连接形成栅极。连接沟道两端的欧姆接触电极分别称为源极和漏极。由于沟道掺入的是施主杂质,沟道电流由电子组成,所以这种结构被称为N沟道JFET。若沟道是用受主原子掺杂,而栅区为N+型,沟道电流是由空穴组成时,该结构为P沟道JFET。

在正常工作条件下,反向偏压加在栅的PN结两侧,使空间电荷区向沟道内部扩展,并使沟道中的自由载流子耗尽。结果,沟道截面积减小,沟道电阻增大。这样,在源极和漏极之间流过的电流受到栅电压的调节。

新出现的异质结双极晶体管因所用材料的载流子迁移率高,加上基区电阻和发射结电容小,适于用在高频、高速和低噪声方面。

从直流到厘米波波段,晶体三极管可用于低噪声放大、功率放大、开关、振荡、变频、混频和整流等,具有体积小、重量轻、耗电少和高可靠等特点,因而在通信、广播、电视、雷达、计算机,以及各种电子仪器和电子玩具中用途广泛。

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