雙極晶體管的基本結(jié)構(gòu)

前言

雙極晶體管是雙極型結(jié)型晶體管（BJT）的簡稱，在電力半導(dǎo)體中，也稱作大功率晶體管（GTR），在現(xiàn)代電力電子變換器中大多已經(jīng)被MOSFET或者IGBT所代替。了解雙極晶體管有助于深入理解現(xiàn)代功率器件的結(jié)構(gòu)。

BJT與一般的晶體三極管有相似的結(jié)構(gòu)、工作原理。BJT由一片半導(dǎo)體上的兩個PN結(jié)組成，可以分為PNP或NPN型兩種結(jié)構(gòu)，圖1中給出了兩種BJT的符號以及其三個輸出端子的定義。

圖1 NPN型和PNP型雙極晶體管的符號

為電力半導(dǎo)體器件，BJT大多采用NPN型結(jié)構(gòu)。BJT的三層兩結(jié)結(jié)構(gòu)并非由單純的電路連接形成，而需較復(fù)雜的工藝制作過程。大多數(shù)雙極型功率晶體管是在重?fù)诫s的N+硅襯底上，用外延生長法在N+上生長一層N-漂移層，然后在漂移層上擴散P基區(qū)，接著擴散N+發(fā)射區(qū)，因此稱之為三重擴散?；鶚O與發(fā)射極在一個平面上做成叉指型以減少電流集中和提高器件電流處理能力。三重擴散臺面型NPN型BJT的結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖2所示。圖中摻雜濃度高的N+區(qū)稱為BJT的發(fā)射區(qū)，其作用是向基區(qū)注入載流子?；鶇^(qū)是一個厚度為幾μm至幾十μm之間的P型半導(dǎo)體薄層，它的任務(wù)是傳送和控制載流子。集電區(qū)則是收集載流子的N型半導(dǎo)體層，常在集電區(qū)中設(shè)置輕摻雜的N-區(qū)以提高器件的耐壓能力。不同類型半導(dǎo)體區(qū)的交界處則形成PN結(jié)，發(fā)射區(qū)與基區(qū)交界處的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)（J1），集電區(qū)與基區(qū)交界處的PN 結(jié)稱為集電結(jié)（J2）。

圖2 三重擴散臺面型NPN型BJT的結(jié)構(gòu)剖面

般將NPN型BJT簡化成如圖3a的結(jié)構(gòu)，在這里集電區(qū)中的N-N+結(jié)的作用沒有考慮，這樣發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)可認(rèn)為都是均勻摻雜。

普通的晶體三極管三個端子在電路中可以有不同的接法，比如共基極、共集電極、共發(fā)射極等。BJT在電力電子變換器中一般使用共發(fā)射極接法，如圖3b所示。其中BJT的基極和發(fā)射極之間的電壓為UBE，集電極與發(fā)射極之間的電壓為UCE。

圖3 NPN型BJT的簡化結(jié)構(gòu)和共發(fā)射極電路

BJT中各部分的摻雜濃度和平衡時的能帶圖如圖4所示。此時BJT的基射極之間的電壓和集射極之間的電壓都為零。在能帶圖中，三個區(qū)域的費米能級保持一致，則發(fā)射區(qū)的施主原子摻雜多，電子濃度大，能帶被降低；基區(qū)的受主原子摻雜多，空穴濃度大，能帶被抬高；集電區(qū)為N型輕摻雜，能帶只稍微降低。其中，NDE、NAB和NDC分別表示發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)雜質(zhì)原子的濃度，角標(biāo)的第一字母表示雜質(zhì)屬性，是施主還是受主，第二個字母表示區(qū)域。從圖中可以看出，其能帶可以看成兩個背靠背的PN結(jié)的能帶，只是兩個二極管中間的距離非常近。

圖4 NPN型BJT的摻雜濃度和平衡時的能帶圖

以上是雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)介紹，下一講將解釋雙極晶體管是如何工作的。