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双极性晶体管（二）
2025-02-24
分类
众所周知，按极性可以分为PNP和NPN两种，按材料一般可以分为硅管和锗管，按额定功率分为大功率和小功率，按封装可以分为贴片和插件，等等。
车载电子系统中，常用的是小功率硅管，为减小体积多用贴片封装
应用
集电极-发射极电流可以视为受基极-发射极电流的控制，这相当于将双极性晶体管视为一种"电流控制"的器件。还可以将它看作是受发射结电压的控制，即将它看做一种"电压控制"的器件。事实上，这两种思考方式可以通过基极-发射极结上的电流电压关系相互关联起来，而这种关系可以用PN结的电流-电压曲线表示。
人们曾经建立过多种数学模型，用来描述双极性晶体管的具体工作原理。例如，古梅尔–潘模型（Gummel–Poon Model）提出，可以利用电荷分布来精确地解释晶体管的行为。上述有关电荷控制的观点可以处理有关光电二极管的问题，这种二极管基极区域的少数载流子是通过吸收光子（即上一段提到的光注入）产生的。电荷控制模型还能处理有关关断、恢复时间等动态问题，这些问题都与基极区域电子和空穴的复合密切相关。然而，由于基极电荷并不能轻松地在基极引脚处观察，因此，在实际的电路设计、分析中，电流、电压控制的观点应用更为普遍。
在模拟电路设计中，有时会采用电流控制的观点，这是因为在一定范围内，双极性晶体管具有近似线性的特征。在这个范围（下文将提到，这个范围叫做"放大区"）内，集电极电流近似等于基极电流的倍，这对人们分析问题、控制电路功能有极大的便利。在设计有的基本电路时，人们假定发射极-基极电压为近似恒定值（如），这时集电极电流近似等于基极电流的若干倍，晶体管起电流放大作用。
然而，在真实的情况中，双极性晶体管是一种较为复杂的非线性器件，如果偏置电压分配不当，将使其输出信号失真。此外，即使工作在特定范围，其电流放大倍数也受到包括温度在内的因素影响。为了设计出精确、可靠的双极性晶体管电路，必须采用电压控制的观点（例如后文将讲述的艾伯斯-莫尔模型）。电压控制模型引入了一个指数函数来描述电压、电流关系，在一定范围内，函数关系为近似线性，可以将晶体管视为一个电导元件。这样，诸如差动放大器等电路的设计就简化为了线性问题，所以近似的电压控制观点也常被选用。对于跨导线性（translinear）电路，研究其电流-电压曲线对于分析器件工作十分关键，因此通常将它视为一个跨导与集电极电流成比例的电压控制模型。
晶体管级别的电路设计主要使用SPICE或其他类似的模拟电路仿真器进行，因此对于设计者来说，模型的复杂程度并不会带来太大的问题。但在以人工分析模拟电路的问题时，并不总能像处理经典的电路分析那样采取精确计算的方法，因而采用近似的方法是十分必要的。
功率参数
双极性晶体管的最大集电极耗散功率是器件在一定温度与散热条件下能正常工作的最大功率。在条件相同的情况下，如果实际功率大于这一数值，晶体管的温度将超出最大许可值，使器件性能下降，甚至造成物理损坏。
电流和电压
当集电极电流增大到一定数值后，虽然不会造成双极性晶体管的损坏，但是电流增益会明显降低。为了使晶体管按照设计正常工作，需要限制集电极电流的数值。除此之外，由于双极性晶体管具有两个PN结，因此它们的反向偏置电压不能够过大，防止PN结反向击穿。双极性晶体管的数据手册都会详细地列出这些参数。
当功率双极性晶体管集电极的反向偏置电压超过一定数值，并且流经晶体管的电流超出在一定允许范围之内，使得晶体管功率大于二次击穿临界功率就会产生一种被称为"二次击穿"的危险现象。在这种情况里，超出设计范围的电流将造成器件内部不同区域的局部温度不均衡，部分区域的温度高于其他区域。因为掺杂的硅具有负的温度系数（temperature coefficient），所以当它处于较高的温度时，其导电性能更强。这样，较热部分就能传导更多的电流，这部分电流会产生额外的热能，造成局部温度将超过正常值，以致于器件不能正常工作。二次击穿是一种热失控，一旦温度升高，电导率将进一步提升，从而造成恶性循环，最终严重损毁晶体管的结构。整个二次击穿过程只需要毫秒或微秒量级的时间就可以完成。
如果双极性晶体管发射结提供超出允许范围的反向偏置，并不对流经晶体管的电流进行限制，发射结将发生雪崩击穿，也会造成器件损坏。
温度漂移
作为一种模拟的器件，双极性晶体管的所有参数都会不同程度地受温度影响，特别是电流增益。据研究，温度每升高1摄氏度，大约会增加0.5%到1%。
抗辐射能力
双极性晶体管对电离辐射较为敏感。如果将晶体管置于电离辐射的环境中，器件将因辐射而受到损害。产生损害是因为辐射将在基极区域产生缺陷，这种缺陷将在能带中形成复合中心（recombination centers）。这将造成器件中起作用的少数载流子寿命变短，进而使晶体管的性能逐渐降低。NPN型双极性晶体管由于在辐射环境中，载流子的有效复合面积更大，受到的负面影响比PNP型晶体管更显著。在一些特殊的应用场合，如核反应堆或航天器中的电子控制系统中，必须采用特殊的手段缓解电离辐射带来的负面效应。
工作区
可以根据晶体管三个终端的的偏置状态，可以定义双极性晶体管几个不同的工作区。在NPN型半导体中（注意：PNP型晶体管和NPN型晶体管的电压描述恰好相反），按发射结、集电结的偏置情况，工作区可以分为为
正向放大区（或简称放大区）：当发射结正向偏置，集电结反向偏置时，晶体管工作在放大区。大多数双极性晶体管的设计目标，是为了在正向放大区得到最大的共射极电流增益bf。晶体管工作在这一区域时，集电极-发射极电流与基极电流近似成线性关系。由于电流增益的缘故，当基极电流发生微小的扰动时，集电极-发射极电流将产生较为显著变化。
反向放大区：如果把上述处于正向放大区晶体管发射极、集电极的偏置电压互换，则双极性晶体管将工作在反向放大区。在这种工作模式中，发射极和集电极区域扮演的角色与正向放大区里正好相反，但是由于晶体管集电极的掺杂浓度低于发射极，反向放大区产生的效果与正向放大区并不相同。大多数双极性晶体管的设计目标是尽可能得到最大正向放大电流增益，因此，反向放大区中的电流增益会比正向放大区中小一些（在常规的锗晶体管中大约是2-3倍）。实际上，这种工作模式几乎不被采用，但是为了防止错误接法造成器件损坏或其他危险，设计时必须予以考虑。此外，有些类型的双极性逻辑器件也会考虑反向放大区的情况。
饱和区：当双极性晶体管中两个PN结均处于正向偏置时，它将处于饱和区，这时，晶体管发射极到集电极的电流达到最大值，即使增加基极电流，输出的电流也不会再增加。饱和区可以在逻辑器件中用来表示高电平。
截止区：如果双极性晶体管两个PN结的偏置情况与饱和区恰好相反，那么晶体管将处于截止区。在这种工作模式下，输出电流非常小（小功率的硅晶体管小于1微安，锗晶体管小于即使微安），在数字逻辑中可以用来表示低电平。
雪崩击穿：当施加在集电结上的反向偏置将超过集电结所能承受范围时，这个PN结将被击穿，若电流足够大会造成器件损坏。
此外，分析、设计双极性晶体管电路时，还应当注意不能超过双极性晶体管的最大集电极耗散功率Pcm。如果晶体管的工作功率小于这一数值，这些工作状态的集合称为安全工作区。如果晶体管的工作功率超过这个限度，将造成器件温度超过正常范围，器件的性能将产生较大的变化，甚至造成损坏。硅晶体管允许的结温度介于150摄氏度和200摄氏度之间。可以通过降低内热阻、使用散热片和引入风冷、水冷、油冷等措施来提高最大允许耗散功率。
实际上，上述工作区之间并没有绝对的界限，在较小电压变化（小于几百毫伏）范围内，上面提到的不同区域之间可能有一定的重叠。
