雙極結(jié)型
“雙極”的含義是指其工作時(shí)電子和空穴這兩種載流子都同時(shí)參與運(yùn)動(dòng)。雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT)又稱為
半導(dǎo)體三極管,它是通過一定的工藝將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件,有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu);外部引出三個(gè)極:集電極,發(fā)射極和基極,集電極從集電區(qū)引出,發(fā)射極從
發(fā)射區(qū)引出,基極從基區(qū)引出(基區(qū)在中間);BJT有放大作用,重要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸?shù)竭_(dá)集電區(qū)而實(shí)現(xiàn)的,為了保證這一傳輸過程,一方面要滿足內(nèi)部條件,即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度,同時(shí)基區(qū)厚度要很小,另一方面要滿足外部條件,即發(fā)射結(jié)要正向偏置(加正向電壓)、集電結(jié)要反偏置;BJT種類很多,按照頻率分,有高頻管,低頻管,按照功率分,有小、中、大
功率管,按照半導(dǎo)體材料分,有硅管和鍺管等;其構(gòu)成的放大電路形式有:共發(fā)射極、共基極和共集電極放大電路。
BJT
場效應(yīng)晶體管
“場效應(yīng)”的含義是這種晶體管的工作原理是基于半導(dǎo)體的電場效應(yīng)的。
場效應(yīng)晶體管(field effect transistor)利用場效應(yīng)原理工作的晶體管,英文簡稱FET。場效應(yīng)晶體管又包含兩種主要類型:結(jié)型場效應(yīng)管(Junction FET,縮寫為JFET)和金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal-Oxide Semiconductor FET,縮寫為MOS-FET)。與BJT不同的是,F(xiàn)ET只由一種載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電,因此也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件,具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)。
FET
場效應(yīng)就是改變外加垂直于半導(dǎo)體表面上電場的方向或大小,以控制半導(dǎo)體導(dǎo)電層(溝道)中多數(shù)載流子的密度或類型。它是由電壓調(diào)制溝道中的電流,其工作電流是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子輸運(yùn)。這類只有一種極性載流子參加導(dǎo)電的晶體管又稱單極型晶體管。與雙極型晶體管相比,場效應(yīng)晶體管具有輸入阻抗高、噪聲小、極限頻率高、功耗小,
制造工藝簡單、溫度特性好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種放大電路、
數(shù)字電路和微波電路等。以
硅材料為基礎(chǔ)的金屬0-氧化物-半導(dǎo)體
場效應(yīng)管(MOSFET)和以砷化鎵材料為基礎(chǔ)的肖特基勢壘柵場效應(yīng)管(MESFET )是兩種最重要的場效應(yīng)晶體管,分別為MOS
大規(guī)模集成電路和MES超高速集成電路的基礎(chǔ)器件。
靜電感應(yīng)
靜
電感應(yīng)晶體管SIT(Static Induction Transistor)誕生于1970年,實(shí)際上是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管。將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),即可制成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導(dǎo)電的器
場效應(yīng)晶體管
件,其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng),甚至超過電力MOSFET,而功率容量也比電力MOSFET大,因而適用于高頻大功率場合,目前已在雷達(dá)通信設(shè)備、
超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等某些專業(yè)領(lǐng)域獲得了較多的應(yīng)用。
但是SIT在柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的,柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷,這被稱為正常導(dǎo)通型器件,使用不太方便。此外,SIT通態(tài)電阻較大,使得通態(tài)損耗也大,因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。
單電子晶體管
用一個(gè)或者少量電子就能記錄信號(hào)的晶體管。隨著半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)和工藝的發(fā)展,大規(guī)模集成電路的集成度越來越高。以動(dòng)態(tài)
隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)為例,它的集成度差不多以每兩年增加四倍的速度發(fā)展,預(yù)計(jì)單電子晶體管將是最終的目標(biāo)。目前一般的存儲(chǔ)器每個(gè)存儲(chǔ)元包含了20萬個(gè)電子,而單電子晶體管每個(gè)存儲(chǔ)元只包含了一個(gè)或少量電子,因此它將大大降低功耗,提高集成電路的集成度。1989年斯各特(J.H. F.Scott-Thomas)等人在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了庫侖阻塞現(xiàn)象。在調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)界面形成的二維電子氣上面,制作一個(gè)面積很小的金屬電極,使得在二維電子氣中形成一個(gè)量子點(diǎn),它只能容納少量的電子,也就是它的電容很小,小于一個(gè)?F (10~15法拉)。當(dāng)外加電壓時(shí),如果電壓變化引起量子點(diǎn)中電荷變化量不到一個(gè)電子的電荷,則將沒有電流通過。直到電壓增大到能引起一個(gè)電子電荷的變化時(shí),才有電流通過。因此電流-電壓關(guān)系不是通常的直線關(guān)系,而是臺(tái)階形的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在歷史上第一次實(shí)現(xiàn)了用人工控制一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng),為制造單電子晶體管提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。為了提高單電子晶體管的工作溫度,必須使量子點(diǎn)的尺寸小于10納米,目前世界各實(shí)驗(yàn)室都在想各種辦法解決這個(gè)問題。有些實(shí)驗(yàn)室宣稱已制出室溫下工作的單電子晶體管,觀察到由電子輸運(yùn)形成的臺(tái)階型電流——電壓曲線,但離實(shí)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
IGBT
絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)綜合了電力晶體管(Giant Transistor—GTR)和電力場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)的優(yōu)點(diǎn),具有良好的特性,應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛;IGBT也是三端器件:柵極,集電極和發(fā)射極。
主要參數(shù)
晶體管的主要參數(shù)有電流放大系數(shù)、耗散功率、頻率特性、集電極最大電流、最大反向電壓、反向電流等。
放大系數(shù)
直流電流放大系數(shù)也稱靜態(tài)電流放大系數(shù)或直流放大倍數(shù),是指在靜態(tài)無變化信號(hào)輸入時(shí),晶體管集電極電流IC與基極電流IB的比值,一般用hFE或β表示。
交流放大倍數(shù)
交流放大倍數(shù),也即交流電流放大系數(shù)、動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù),是指在交流狀態(tài)下,晶體管集電極電流變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值,一般用hfe或β表示。
hFE或
β既有區(qū)別又關(guān)系密切,兩個(gè)參數(shù)值在低頻時(shí)較接近,在高頻時(shí)有一些差異。