抗飽和晶體管原理

什么是晶體管?

晶體管(transistor)是一種固體半導(dǎo)體器件(包括二極管、三極管、場效應(yīng)管、晶閘管等)，它具有檢測、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓和信號調(diào)制等多種功能。作為交流斷路器，晶體管可以根據(jù)輸入電壓控制輸出電流。與普通機(jī)械開關(guān)(如繼電器和開關(guān))不同，晶體管使用電信號來控制其打開和關(guān)閉，因此開關(guān)速度可以非常快，實(shí)驗(yàn)室中的開關(guān)速度可以達(dá)到100GHz以上。晶體管通常是由半導(dǎo)體材料制成的固態(tài)電子器件。電流的循環(huán)可以通過添加電子來改變。這一過程使電壓變化成比例地影響輸出電流的許多變化，從而使放大倍數(shù)倍增。除大多數(shù)電子設(shè)備外，并非所有電子設(shè)備都包含一種或多種類型的晶體管。有些晶體管單獨(dú)或通常放置在集成電路中，并且根據(jù)應(yīng)用的狀態(tài)而變化。

根據(jù)晶體管的性能，可形成晶體管的邏輯電路，在數(shù)字集成電路中運(yùn)用廣泛。

同類型邏輯電路(RTL，DTL，TTL)的不同特點(diǎn)：

數(shù)字集成電路是對數(shù)字集成電路執(zhí)行邏輯運(yùn)算和轉(zhuǎn)換的邏輯電路。邏輯電路的基本單元是門電路和觸發(fā)電路。觸發(fā)電路主要由各種門電路組成，是數(shù)字集成電路的基本單元。依照基本單元電路的工作特點(diǎn)不同，分為三種類型：飽和型邏輯(RTL，DTL，TTL)、抗飽和型邏輯(STTL)、非飽和型邏輯(ECL)。本文主要介紹RTL，DTL,TTL三種邏輯電路。

第一種是電阻晶體管耦合邏輯電路(RTL)，它是或非門電路。當(dāng)輸入信號為高電平時，輸出為低電平，輸出為低電平vol=0.2V，采用步進(jìn)連接時輸出為高電平vol=1V，電路具有速度慢、負(fù)載能力低、抗干擾能力差的特點(diǎn)。電路如圖1所示：

圖1 電阻-晶體管耦合邏輯電路

第二種是二極管-晶體管耦合邏輯電路(DTL)，它是一種與非門電路。只要輸入信號為低電平，則輸出為高電平。只有當(dāng)所有輸入均為高電平時，輸出才為低電平。對于RTL電路，其負(fù)載能力和抗干擾能力有所提高，但電路速度仍然很慢。

圖2 二極管-晶體管邏輯電路

第三種就是我們用到的TTL與非門，如圖所示,由于輸入級和輸出級均由晶體管組成，故稱為晶體管-晶體邏輯管，簡稱TTL電路。其實(shí)，TTL門電路也分很多種，比如說非門、與非門、或非門、與或非門以及OC輸出的與非門。雖然種類多，但是基本的工作原理都是類似的。所以，接下來就介紹一個經(jīng)典的TTL與非門電路。

圖3 典型TTL與非門

又因?yàn)樵诰w管中參與導(dǎo)電的有兩種極性的載流子，故這種電路屬于雙極性電路。如圖所示：

圖4 多射極晶體管的結(jié)構(gòu)及等效電路

中間級：由三極管T2和電阻R2、R3組成。在電路的開通過程中利用T2的放大作用，為輸出管T3提供較大的基極電流，加速了輸出管的導(dǎo)通。所以，中間級的作用是提高輸出管的開通速度，改善電路的性能。

輸出級：由三極管T3、T4、T5和電阻R5組成。如圖3所示，圖3中 T5三極管非門電路，圖3中T3、T5是TTL與非門電路中的輸出級。從圖中可以看出，輸出級由三極管T5實(shí)現(xiàn)邏輯非的運(yùn)算。但在輸出級電路中用三極管T4、T3和R4組成的有源負(fù)載替代了三極管非門電路中的R4，目的是使輸出級具有較強(qiáng)的負(fù)載能力。其中T4可以起到三極管反向擊穿的保護(hù)作用。

TTL電平原理：

TTL電平信號被利用得最多是因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)表示采用二進(jìn)制規(guī)定, +5V等價于邏輯“1"，0V等價于邏輯“0”，這被稱作TTL(Transistor- Transistor Logic晶體管晶體管邏輯電平)信號系統(tǒng),這是計算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

TTL輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.4V。 在室溫下，一般輸出高電平是3.5V ,輸出低電平是0.2V。 最小輸入高電平和低電平:輸入高電平>-2.0V,輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。

其他常見的TTL應(yīng)用是四管單元TTL與非門，STTL和LSTTL電路，LSTTL等。

晶體管是一種與其他電路元件結(jié)合使用時可產(chǎn)生電流增益、電壓增益和信號功率增益的多結(jié)半導(dǎo)體器件。因此，晶體管稱為有源器件，而二極管稱為無源器件。晶體管的基本工作方式是在其兩端施加電壓時控制另一端的電流。晶體管兩種主要類型：雙極型晶體管(BJT)和場效應(yīng)管(FET)。雙極晶體管(Bipolar Junction Transistor-BJT)作為兩種主要類型的晶體管之一，又稱為半導(dǎo)體三極管、晶體三極管，簡稱晶體管。它由兩個PN結(jié)組合而成，有兩種載流子參與導(dǎo)電是一種電流控制電流源器件。晶體三極管主要應(yīng)用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。

晶體三極管的分類

按照晶體三極管擴(kuò)散區(qū)半導(dǎo)體材料不同，可分為NPN型晶體三極管和PNP型晶體三極管，如圖1所示。晶體三極管有三個摻雜不同的擴(kuò)散區(qū)和兩個PN結(jié)，三端分別稱為發(fā)射極E(Emitter)、基極B(Base)和集電極C(Collector)。發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)。晶體管電路符號中的箭頭方向代表PN結(jié)的方向(即發(fā)射極的電流方向)。

晶體三極管結(jié)構(gòu)圖解

(以NPN型晶體管為例)

采用平面工藝制成NPN型硅材料晶體三極管的結(jié)構(gòu)如圖2所示。器件的最底層為高摻雜的N型硅片為襯底層，然后生長出低摻雜的N型外延層，經(jīng)過一次氧化在外延層上生長出SiO2氧化層。一次光刻在SiO2氧化層光刻出硼擴(kuò)基區(qū)，之后進(jìn)行硼擴(kuò)散，一般分為兩步擴(kuò)散：預(yù)先沉積和再分布擴(kuò)散。在硼擴(kuò)散形成晶體三極管的P型基區(qū)之后，進(jìn)行二次光刻和磷擴(kuò)散形成高摻雜的N型發(fā)射區(qū)。最后光刻出引線孔，經(jīng)過金屬化(Al)和反刻引出基極和發(fā)射極，最后背面合金形成集電極。

晶體三極管位于中間的P區(qū)域稱為基區(qū)，其區(qū)域很薄且雜質(zhì)濃度很低;位于上層的N+區(qū)為發(fā)射區(qū)，摻雜濃度很高;位于下層的N和N+兩種摻雜的N區(qū)是集電區(qū)，面積很大。因此晶體三極管為非對稱器件且器件的外特性與三個區(qū)域的上述特點(diǎn)緊密相關(guān)。

晶體三極管工作原理詳解

(以NPN型晶體管為例)

根據(jù)晶體三極管的集電結(jié)和發(fā)射結(jié)的偏置情況，NPN型晶體三極管具有4種工作區(qū)間，如表1所示。

正向放大區(qū)(或簡稱放大區(qū))：當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置時，晶體管工作在放大區(qū)。大多數(shù)雙極性晶體管的設(shè)計目標(biāo)，是為了在正向放大區(qū)得到[敏感詞]的共射極電流增益。晶體管工作在這一區(qū)域時，集電極-發(fā)射極電流與基極電流近似成線性關(guān)系。由于電流增益的緣故，當(dāng)基極電流發(fā)生微小的擾動時，集電極-發(fā)射極電流將產(chǎn)生較為顯著變化。

反向放大區(qū)：當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)正向偏置時，晶體管工作在反向放大區(qū)。此時發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的作用與正向放大區(qū)正好相反，但由于集電區(qū)的摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，反向放大區(qū)產(chǎn)生的放大效果小于正向放大區(qū)。而大多數(shù)雙極性晶體管的設(shè)計目標(biāo)是盡可能得到[敏感詞]正向放大電流增益，因此在實(shí)際這種工作模式幾乎不被采用。

飽和區(qū)：當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，晶體管工作在飽和區(qū)。此時晶體管發(fā)射極到集電極的電流達(dá)到[敏感詞]值。即使增加基極電流，輸出的電流也不會再增加。飽和區(qū)可以在邏輯器件中用來表示高電平。

截止區(qū)：當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置時，晶體管工作在截止區(qū)。在這種工作模式下，輸出電流非常小(小功率的硅晶體管小于1微安，鍺晶體管小于幾十微安)，在邏輯器件中可以用來表示低電平。

正向放大區(qū): 內(nèi)部載流子的運(yùn)動詳解

晶體三極管的放大作用表現(xiàn)為小基極電流可以控制大集電極電流。如下圖3所示，從晶體內(nèi)部載流子的運(yùn)動與外部電流的關(guān)系上來做進(jìn)一步的分析。

發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動形成發(fā)射極電流IE

發(fā)射結(jié)加正向電壓且發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度高，所以大量自由電子因擴(kuò)散運(yùn)動越過發(fā)射結(jié)到達(dá)基區(qū)。與此同時，空穴也從基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但由于基區(qū)雜質(zhì)濃度低，所以空穴形成的電流非常小，近似分析時可忽略不計。可見，擴(kuò)散運(yùn)動形成了發(fā)射極電流IE。

擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動形成基極電流IB

由于基區(qū)很薄，雜質(zhì)濃度很低，集電結(jié)又加了反向電壓，所以擴(kuò)散到基區(qū)的電子中只有極少部分與空穴復(fù)合，其余部分均作為基區(qū)的非平衡少子到達(dá)集電結(jié)。又由于電源 VBE的作用，電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動將源源不斷地進(jìn)行，形成基極電流IB。

集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動形成集電極電流IC

由于集電結(jié)加反向電壓且其結(jié)面積較大，基區(qū)的非平衡少子在外電場作用下越過集電結(jié)到達(dá)集電區(qū)，形成漂移電流。與此同時，集電區(qū)與基區(qū)的平衡少子也參與漂移運(yùn)動，但它的數(shù)量很小，近似分析中可忽略不計?？梢姡诩姌O電源VCB的作用下，漂移運(yùn)動形成集電極電流IC。

晶體三極管的特性曲線

晶體三極管的輸入特性曲線如圖4所示。當(dāng)UCE=0時，相當(dāng)于集電極與發(fā)射極短路，即發(fā)射結(jié)與集電結(jié)并聯(lián)。因此，輸入特性曲線與PN結(jié)的伏安特性類似，呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)UCE增大時，曲線將右移。對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以近似UCE大于1V的所有輸入特性曲線。晶體三極管的輸出特性曲線如圖5所示。對于每一個確定的IB,都有一條曲線，所以輸出特性的一族曲線。截止區(qū):發(fā)射結(jié)電壓小于開啟電壓，且集電結(jié)反向偏置。放大區(qū):發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置。飽和區(qū):發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于正向偏置。