晶体管类型及结构
1.3.1 晶体管的结构及类型根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成晶体管。采用平面工艺制成的 NPN型硅材料晶体管的结构如图1.3.2(a)所示，位于中间的P区称为基区，它很薄且杂质浓度很低；位于上层的 N区是发射区，掺杂浓度很高；位于下层的N区是集电区，面积很大；晶体管的外特性与三个区域的上述特点紧密相关。
它们所引出的三个电极分别为基极 b、发射极 e和集电极 c。图(b)所示为 NPN 型管的结构示意图，发射区与基区间的 PN 结称为发射结，基区与集电区间的 PN结称为集电结。图(c)所示为 NPN 型管和PNP型管的符号。本节以NPN型硅管为例讲述晶体管的放大作用、特性曲线和主要参数。
放大是对模拟信号基本的处理。在生产实际和科学实验中，从传感器获得的电信号都很微弱，只有经过放大后才能作进一步的处理，或者使之具有足够的能量来推动执行机构。晶体管是放大电路的元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出。
图1.3.3所示为基本放大电路，Δu为输入电压信号，接入基极-发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极-发射极回路，称为输出回路。由于发射极是两个回路的公共端，故称该电路为共射放大电路。使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。因而在输入回路需加基极电源V;在输出回路需加集电极电源Vc:VB和Vc的极性应如图1.3.3所示,且Vc应大于V晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。下面从内部载流子的运动与外部电流的关系上来做进一步的分析。一、晶体管内部载流子的运动当图1.3.3所示电路中Δu=0时，晶体管内部载流子运动示意图如图1.3.4所示。
1.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流l,因为发射结加正向电压，又因为发射区杂质浓度高，所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区。与此同时，空穴也从基区向发射区扩散，但由于基区杂质浓度低，所以空穴形成的电流非常小，近似分析时可忽略不计。可见，扩散运动形成了发射极电流.。I。2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流l由于基区很薄，杂质浓度很低，集电结又加了反向电压，所以扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，其余部分均作为基区的非平衡少子达到集电结。又由于电源V的作用，电子与空穴的复合运动将源源不断地进行，形成基极电流.l3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流.Ic由于集电结加反向电压且其结面积较大，基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区，形成漂移电流。与此同时，集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动，但它的数量很小，近似分析中可忽略不计。可见，在集电极电源Vc的作用下，漂移运动形成集电极电流l.二、晶体管的电流分配关系设由发射区向基区扩散所形成的电子电流为、I、，基区向发射区扩散所形成的空穴电流为lw,基区内复合运动所形成的电流为：IB,基区内非平衡少子(即发射区扩散到基区但未被复合的自由电子)漂移至集电区所形成的电流为(、l、平衡少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流为Ic0见图1.3.4中所标注，则、l1=lN+lpr=Ic、+lN+l1r(1.3.1)Ic=lcN+ICBO(1.3.2)ln=l0+lbIcMO=l1′lcnO(1.3.3)从外部看l1=lc+l0(1.3.4)三、晶体管的共射电流放大系数电流Ic与I之比称为共射直流电流放大系数β,根据式(1.3.2)和式(1.3.3)可得β=lcI2′=lc↘0I3+Ic0整理可得Ic=βI3+(1+β)IcgO=βl3+IC20(1.3.5)式中Ic×0称为穿透电流，其物理意义是，当基极开路((l=0)时，在集电极电源V.作用下的集电极与发射极之间形成的电流，而IcSO是发射极开路时，集电结的反向饱和电流。一般情况下，l0>Ico0,β>1,所以Ic=βI(1.3.6)I=(1+β)I(1.3.7)在图1.3.3所示电路中，若有输入电压Δu作用，则晶体管的基极电流将在l基础上叠加动态电流Δt,当然集电极电流也将在I基础上叠加动态电流。Δt,Δi。与△i之比称为共射交流电流放大系数，记作β，即β=ΔicΔi1(1.3.8)
集电极总电流ic=Ic+Δic=βI1+Ic10+βΔi1,通常穿透电流可忽略不计，故ic=βl3+βΔi在Δi|不太大的情况下，可以认为ββ(1.3.9)式(1.3.9)表明，在一定范围内，可以用晶体管在某一直流量下的β来取代在此基础上加动态信号时的β。由于在l较宽的数值范围内β基本不变，因此在近似分析中不对β与β加以区分，即认为lcβi3小功率管的β较大，有的可达三、四百倍；大功率管的β较小，有的甚至只有三、四十倍。当以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流时，、lc、与I.之比称为共基直流电流放大系数α―=lcyl根据式(1.3.2)可得Ic=αI1+IcHO(1.3.10)将式(1.3.4)代入上式，可以得出α与β的关系，即β=α1α或α=β1+β(1.3.11)共基交流电流放大系数α定义为集电极电流变化量与发射极电流变化量之比，根据Δi,Δi和△i的关系可得α=ΔisΔin=β1+β(1.3.12)通常β>1,故α=1;而且与β=β相同，α=α