如果我們嘗試將pn結焊接到np結上,我們會得到如圖1所示的器件,其中字母E、B和C分別表示發射極、基極和集電極。這是對p、n、p三個區域的命名。
這樣我們就創建了一個PNP型晶體管。
圖1:PNP型晶體管。每個區域的大小表示
相反,如果我們將np結焊接到pn結上,我們就會得到如圖2所示的器件,其中E、B和C在摻雜方面的作用顛倒了。結果就是一個NPN型晶體管。在這兩種配置中,器件均由JE和JC結組成。
圖2:NPN型晶體管
晶體管也被稱為半導體三極管,因為它標志著真空管的終結,就像結型二極管取代了真空二極管一樣。另一個常見名稱則是BJT,即雙極結型晶體管的縮寫。雙極屬性是指半導體中的導電性(由電子和空穴決定)。
在圖3中,我們可以看到PNP晶體管的電路符號,其呈現方式主要是為了突出與圖1中圖表的關系。同樣,圖4顯示了NPN晶體管的符號。
圖3:PNP晶體管的電路符號
圖4:NPN晶體管的電路符號
開路晶體管
讓我們以PNP晶體管為例(結果也可以馬上推廣到NPN晶體管)。在開路條件下,我們預期會出現與單結類似的行為,即存在接觸電勢(請參閱之前的教程),這實際上是一個勢壘,其目的是阻止空穴從發射極向基極擴散。如果沒有這樣的勢壘,空穴就會無限地向基極擴散,這顯然不符合物理情況,因為我們正處于開路條件下。如果V0是JE結處勢壘的高度,那么相似的論證讓我們可以說,JC結上存在勢壘V‘。假設各個區域p,n,p具有相同的雜質濃度,我們有V0=V′。
熱平衡的實現將通過單個區域的少數載流子濃度的恒定值來表征:
我們采用了以下慣例:主字母表示載流子(電子、空穴),第一個下標表示其所屬區域。例如,符號np告訴我們正在考慮p區域中的電子(因此是少數電荷)。最后,第三個下標0表示系統在溫度T0(不一定是室溫)下處于熱力學平衡狀態。
需要注意的是,我們忽略了耗盡層(在之前的教程中討論過),因為與雙結層相比,它的大小可以忽略不計。
在p型區域中,濃度n相同,因為我們假設這些區域是相同的。如果在笛卡爾坐標系中,我們在橫坐標上標出構成PNP晶體管的雙結的線性尺寸,在縱坐標上標出單一區域中少數載流子的濃度(方程(1)),那么在熱力學和開路平衡狀態下我們將得到如圖5所示的趨勢,其中我們假設pn0》np0。
還應該指出的是,少數載流子濃度和開路條件下嚴格不變的趨勢是平均操作的結果,因為這些量圍繞著平均值(即測量值)波動。
圖5:開路NPN晶體管中少數載流子濃度的趨勢
晶體管偏置
由于存在兩個結和三個端子,因此極化組合比二極管更多。像前面一樣,讓我們參考PNP晶體管,直接反向偏置JE和JC。在圖6中,顯示了這種極化配置,而圖7則是相應的電路圖。準確地說,我們有一個電壓發生器,其電壓為VEB,而VCC表示連接到JC的電池產生的電壓。VCB用來表示集電極和基極之間的電位差。
圖6:JE結正向偏置,而JC結反向偏置
圖7:JE結正向偏置,而JC反向偏置
JE的正向偏置降低了勢壘(如上一節所述),這導致空穴從發射極向基極擴散,電子從基極向發射極擴散。因此,在JE的p和n兩個區域中,少數載流子的濃度出現了宏觀增長。
讓我們把注意力集中在基極上廣泛存在的空穴上。在這里,我們在JC附近具有以下電荷配置:如果我們測量C和B之間的電勢差,我們會發現如圖7所示的值,這意味著空穴被集電極C“收集”。然而,JC是反向偏置的,這決定了基極空穴的指數衰減,因此在JC處,這些載流子的濃度在統計上為零。反過來,JC的反向偏壓會導致JC的p區電子濃度降低,這將在JC上產生指數衰減。如前所述,JE p區中的電子濃度會增加,然后由于結中大家都熟知的少數載流子擴散機制而呈指數衰減。圖8總結了這些結論。
圖8:閉路NPN晶體管中少數載流子濃度的變化趨勢
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