双极晶体管的基本结构

前言

双极晶体管是双极型结型晶体管（BJT）的简称，在电力半导体中，也称作大功率晶体管（GTR），在现代电力电子变换器中大多已经被MOSFET或者IGBT所代替。了解双极晶体管有助于深入理解现代功率器件的结构。

BJT与一般的晶体三极管有相似的结构、工作原理。BJT由一片半导体上的两个PN结组成，可以分为PNP或NPN型两种结构，图1中给出了两种BJT的符号以及其三个输出端子的定义。

图1  NPN型和PNP型双极晶体管的符号

为电力半导体器件，BJT大多采用NPN型结构。BJT的三层两结结构并非由单纯的电路连接形成，而需较复杂的工艺制作过程。大多数双极型功率晶体管是在重掺杂的N+硅衬底上，用外延生长法在N+上生长一层N-漂移层，然后在漂移层上扩散P基区，接着扩散N+发射区，因此称之为三重扩散。基极与发射极在一个平面上做成叉指型以减少电流集中和提高器件电流处理能力。三重扩散台面型NPN型BJT的结构剖面示意图如图2所示。图中掺杂浓度高的N+区称为BJT的发射区，其作用是向基区注入载流子。基区是一个厚度为几μm至几十μm之间的P型半导体薄层，它的任务是传送和控制载流子。集电区则是收集载流子的N型半导体层，常在集电区中设置轻掺杂的N-区以提高器件的耐压能力。不同类型半导体区的交界处则形成PN结，发射区与基区交界处的PN结称为发射结（J1），集电区与基区交界处的PN 结称为集电结（J2）。

图2  三重扩散台面型NPN型BJT的结构剖面

般将NPN型BJT简化成如图3a的结构，在这里集电区中的N-N+结的作用没有考虑，这样发射区、基区和集电区可认为都是均匀掺杂。

普通的晶体三极管三个端子在电路中可以有不同的接法，比如共基极、共集电极、共发射极等。BJT在电力电子变换器中一般使用共发射极接法，如图3b所示。其中BJT的基极和发射极之间的电压为UBE，集电极与发射极之间的电压为UCE。

图3  NPN型BJT的简化结构和共发射极电路

BJT中各部分的掺杂浓度和平衡时的能带图如图4所示。此时BJT的基射极之间的电压和集射极之间的电压都为零。在能带图中，三个区域的费米能级保持一致，则发射区的施主原子掺杂多，电子浓度大，能带被降低；基区的受主原子掺杂多，空穴浓度大，能带被抬高；集电区为N型轻掺杂，能带只稍微降低。其中，NDE、NAB和NDC分别表示发射区、基区和集电区杂质原子的浓度，角标的第一字母表示杂质属性，是施主还是受主，第二个字母表示区域。从图中可以看出，其能带可以看成两个背靠背的PN结的能带，只是两个二极管中间的距离非常近。

图4  NPN型BJT的掺杂浓度和平衡时的能带图

以上是双极型晶体管的基本结构介绍，下一讲将解释双极晶体管是如何工作的。