雙極性晶體管
發(fā)展及應(yīng)用
1947年12月,貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓在威廉·肖克利的指導(dǎo)下共同發(fā)明了點(diǎn)接觸形式的雙極性晶體管。 1948年,肖克利發(fā)明了采用結(jié)型構(gòu)造的雙極性晶體管。 在其后的大約三十年時(shí)間內(nèi)這種器件是制造分立元件電路和集成電路的不二選擇 。
早期的晶體管是由鍺制造的。在1950年代和1960年代,鍺晶體管的使用多于硅晶體管。硅晶體管截止電壓通常為0.5至 1V,鍺晶體管的截止電壓更小,通常約0.2V,這使得鍺晶體管適用于某些應(yīng)用場(chǎng)合例如高靈敏度的設(shè)備。在晶體管的早期歷史中,曾有多種雙極性晶體管的制造方法被開發(fā)出來。
鍺晶體管的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它容易產(chǎn)生熱失控 。由于鍺的禁帶寬度較窄 , 如果要穩(wěn)定工作,則對(duì)其工作溫度的要求相對(duì)硅半導(dǎo)體更嚴(yán) ,因此大多數(shù)現(xiàn)代的雙極性晶體管是由硅制造的 。采用硅的另外一個(gè)原因是容易形成穩(wěn)定的二氧化硅,二氧化硅與其他金屬之間的粘性也大,容易制作電子器件 。
后來,人們也開始使用以砷化鎵為代表的化合物來制造半導(dǎo)體晶體管。砷化鎵的電子遷移率為硅的5倍, 用它制造的晶體管能夠達(dá)到較高的工作頻率。此外,砷化鎵熱導(dǎo)率較低,有利于高溫下進(jìn)行的加工。 化合物晶體管通常可以應(yīng)用于高速器件。
雙極性晶體管能夠提供信號(hào)放大,它在功率控制、模擬信號(hào)處理等領(lǐng)域有所應(yīng)用。此外,由于基極-發(fā)射極偏置電壓與溫度、電流的關(guān)系已知,雙極性晶體管還可以被用來測(cè)量溫度。 根據(jù)基極-發(fā)射極電壓與基極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極電流的對(duì)數(shù)關(guān)系,雙極性晶體管也能被用來計(jì)算對(duì)數(shù)或求自然對(duì)數(shù)的冪指數(shù)。
隨著人們對(duì)于能源問題的認(rèn)識(shí)不斷加深,場(chǎng)效應(yīng)管(例如互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)憑借更低的功耗,在數(shù)字集成電路中逐漸成為主流,雙極性晶體管在集成電路中的使用由此逐漸變少。 但是應(yīng)當(dāng)看到,即使在現(xiàn)代的集成電路中,雙極性晶體管依然是一種重要的器件,市場(chǎng)上仍有大量種類齊全、價(jià)格低廉的晶體管產(chǎn)品可供選擇。與金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比,雙極性晶體管能提供較高的跨導(dǎo)和輸出電阻,并具有高速、耐久的特性,在功率控制方面能力突出。 因此,雙極性晶體管依舊是組成模擬電路,尤其是甚高頻應(yīng)用電路(如無線通信系統(tǒng)中的射頻電路)的重要配件。雙極性晶體管可以通過BiCMOS技術(shù)與和MOSFET制作在一塊集成電路上,這樣就可以充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)(如雙極性晶體管的電流放大能力和場(chǎng)效應(yīng)管的低功耗特點(diǎn))。
基本原理
圖中左邊的藍(lán)色區(qū)域?yàn)榘l(fā)射極,中間綠色區(qū)域?yàn)榛鶚O,右邊藍(lán)色區(qū)域?yàn)榧姌O。灰色的箭頭為電子的流動(dòng)方向示意,發(fā)射極注入的大部分電子移動(dòng)到了集電極,少部分在基極與空穴復(fù)合。白色箭頭為基極的多數(shù)載流子空穴的流動(dòng)方向示意。N型雙極性晶體管處于正向放大區(qū)的條件是:在發(fā)射結(jié)上具有正向偏置,而集電結(jié)具有反向偏置。
N型雙極性晶體管可以視為共用陽(yáng)極的兩個(gè)二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態(tài)下, 發(fā)射結(jié) ( 基極 與 發(fā)射極 之間的PN結(jié))處于正向偏置狀態(tài),而 集電結(jié) ( 基極 與 集電極 之間的PN結(jié))則處于反向偏置狀態(tài)。 在沒有外加電壓時(shí),發(fā)射結(jié)N區(qū)的電子(該區(qū)域的多數(shù)載流子)濃度大于P區(qū)的電子濃度,部分電子將擴(kuò)散到P區(qū)。同理,P區(qū)的部分空穴也將擴(kuò)散到N區(qū)。這樣,發(fā)射結(jié)上將形成一個(gè)空間電荷區(qū)(也稱為耗盡層),產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)在的電場(chǎng),其方向由N區(qū)指向P區(qū),這個(gè)電場(chǎng)將阻礙上述擴(kuò)散過程的進(jìn)一步發(fā)生,從而達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡。 這時(shí), 如果把一個(gè)正向電壓施加在發(fā)射結(jié)上,上述載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和耗盡層中內(nèi)在電場(chǎng)之間的動(dòng)態(tài)平衡將被打破,這樣會(huì)使熱激發(fā)電子注入基極區(qū)域。在N型晶體管里,基區(qū)為P型摻雜,這里空穴為多數(shù)摻雜物質(zhì),而電子則為少數(shù)載流子。
從發(fā)射極被注入到基極區(qū)域的電子,一方面與這里的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復(fù)合,另一方面,由于基極區(qū)域摻雜程度低、物理尺寸薄,并且集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài),大部分電子將通過漂移運(yùn)動(dòng)抵達(dá)集電極區(qū)域,形成集電極電流。 為了盡量緩解電子在到達(dá)集電結(jié)之前發(fā)生的復(fù)合,晶體管的基極區(qū)域必須制造得足夠薄,以至于載流子擴(kuò)散所需的時(shí)間短于半導(dǎo)體少數(shù)載流子的壽命,同時(shí),基極的厚度必須遠(yuǎn)小于電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度( diffusion length ,參見菲克定律)。在現(xiàn)代的雙極性晶體管中,基極區(qū)域厚度的典型值為十分之幾微米。 需要注意的是,集電極、發(fā)射極雖然都是N型摻雜,但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同,因此必須將雙極性晶體管與兩個(gè)相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區(qū)分開來。
分析方法
集電極-發(fā)射極電流可以視為受基極-發(fā)射極電流的控制,這相當(dāng)于將雙極性晶體管視為一種“電流控制”的器件。還可以將它看作是受發(fā)射結(jié)電壓的控制,即將它看做一種“電壓控制”的器件。事實(shí)上,這兩種思考方式可以通過基極-發(fā)射極結(jié)上的電流電壓關(guān)系相互關(guān)聯(lián)起來,而這種關(guān)系可以用PN結(jié)的電流-電壓曲線表示。
從基極區(qū)域的少數(shù)載流子濃度出發(fā),可以解釋集電極的載流子流動(dòng)。 如果雙極性晶體管為小注入,即通過某些物理過程(如光注入或電注入)引入的非平衡載流子( excess carrier ,或稱“過剩載流子”)比熱平衡時(shí)的多數(shù)載流子少得多, 雙極性擴(kuò)散(即非平衡多數(shù)載流子和少數(shù)載流子以相同速率流動(dòng))速率實(shí)際上由非平衡少數(shù)載流子決定。另外,雙極性晶體管處理高頻信號(hào)的能力還受限于基極區(qū)域載流子的渡越時(shí)間。
人們?cè)?jīng)建立過多種數(shù)學(xué)模型,用來描述雙極性晶體管的具體工作原理。例如,古梅爾–潘模型( Gummel–Poon Model )提出,可以利用電荷分布來精確地解釋晶體管的行為。 上述有關(guān)電荷控制的觀點(diǎn)可以處理有關(guān)光電二極管的問題,這種二極管基極區(qū)域的少數(shù)載流子是通過吸收光子(即上一段提到的光注入)產(chǎn)生的。 電荷控制模型還能處理有關(guān)關(guān)斷、恢復(fù)時(shí)間等動(dòng)態(tài)問題,這些問題都與基極區(qū)域電子和空穴的復(fù)合密切相關(guān)。然而,由于基極電荷并不能輕松地在基極引腳處觀察,因此,在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)、分析中,電流、電壓控制的觀點(diǎn)應(yīng)用更為普遍。
在模擬電路設(shè)計(jì)中,有時(shí)會(huì)采用電流控制的觀點(diǎn),這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi),雙極性晶體管具有近似線性的特征。在這個(gè)范圍(下文將提到,這個(gè)范圍叫做“放大區(qū)”)內(nèi),集電極電流近似等于基極電流的 β β --> F {\displaystyle \beta _{\text{F}}} 倍,這對(duì)人們分析問題、控制電路功能有極大的便利。在設(shè)計(jì)有的基本電路時(shí),人們假定發(fā)射極-基極電壓為近似恒定值(如 V c c {\displaystyle V_{cc}} ),這時(shí)集電極電流近似等于基極電流的若干倍,晶體管起電流放大作用。
然而,在真實(shí)的情況中,雙極性晶體管是一種較為復(fù)雜的非線性器件,如果偏置電壓分配不當(dāng),將使其輸出信號(hào)失真。此外,即使工作在特定范圍,其電流放大倍數(shù)也受到包括溫度在內(nèi)的因素影響。為了設(shè)計(jì)出精確、可靠的雙極性晶體管電路,必須采用電壓控制的觀點(diǎn)(例如后文將講述的艾伯斯-莫爾模型)。 電壓控制模型引入了一個(gè)指數(shù)函數(shù)來描述電壓、電流關(guān)系,在一定范圍內(nèi),函數(shù)關(guān)系為近似線性,可以將晶體管視為一個(gè)電導(dǎo)元件。 這樣,諸如差動(dòng)放大器等電路的設(shè)計(jì)就簡(jiǎn)化為了線性問題,所以近似的電壓控制觀點(diǎn)也常被選用。對(duì)于跨導(dǎo)線性( translinear )電路,研究其電流-電壓曲線對(duì)于分析器件工作十分關(guān)鍵,因此通常將它視為一個(gè)跨導(dǎo)與集電極電流成比例的電壓控制模型。
目前,晶體管級(jí)別的電路設(shè)計(jì)主要使用SPICE或其他類似的模擬電路仿真器進(jìn)行, 因此對(duì)于設(shè)計(jì)者來說,模型的復(fù)雜程度并不會(huì)帶來太大的問題。但在以人工分析模擬電路的問題時(shí),并不總能像處理經(jīng)典的電路分析那樣采取精確計(jì)算的方法,因而采用近似的方法是十分必要的。
主要參數(shù)
電流放大參數(shù)
雙極性晶體管的共射極接法
雙極性晶體管的共基極接法
發(fā)射極擴(kuò)散到基極的電子,大部分都能夠漂移到集電極,剩下的電子與基極區(qū)域的空穴發(fā)生載流子復(fù)合。成功抵達(dá)集電極的電子濃度占發(fā)射極擴(kuò)散出來的電子總濃度的比值,是衡量雙極性晶體管效率的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由于發(fā)射極區(qū)域?yàn)橹負(fù)诫s,基極區(qū)域?yàn)檩p摻雜,所以從發(fā)射極被注入到基極的電子濃度大于從基極注入到發(fā)射極的空穴濃度。下面將討論雙極性晶體管在電路中以發(fā)射極或基極為公共端時(shí)的電流放大倍數(shù)。
如果晶體管采用共射極接法,輸入電流為基極電流 I B {\displaystyle I_{\text{B}}} ,輸出電流為集電極電流 I C {\displaystyle I_{\text{C}}} ,當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)不施加偏置時(shí),晶體管的共射極直流短路電流增益可以表示為集電極電流 I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 與基極電流 I B {\displaystyle I_{\text{B}}} 的比值
如果集電極從無偏置變?yōu)榉聪蚱茫敲?I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 與 I B {\displaystyle I_{\text{B}}} 的比值稱為共射極靜態(tài)電流增益,它的表達(dá)式為
對(duì)于小信號(hào)模型中的晶體管, β β --> F {\displaystyle \beta _{\text{F}}} 的數(shù)值通在20到200之間, 不過在一些為高功率應(yīng)用設(shè)計(jì)的晶體管中,它可能會(huì)更小一點(diǎn)。
如果晶體管采用共基極接法,輸入電流為發(fā)射電流 I E {\displaystyle I_{\text{E}}} ,輸出電流為集電極電流 I C {\displaystyle I_{\text{C}}} ,當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)不施加偏置時(shí),晶體管的共基極直流短路電流增益可以表示為集電極電流 I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 與發(fā)射極電流 I E {\displaystyle I_{\text{E}}} 的比值
如果集電極從無偏置變?yōu)榉聪蚱?,那?I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 與 I E {\displaystyle I_{\text{E}}} 的比值稱為共基極靜態(tài)電流增益,它的表達(dá)式為
上述兩個(gè)參數(shù)可以通過下面的公式相互轉(zhuǎn)換(在N型晶體管中)
當(dāng)對(duì)低頻的交流小信號(hào)進(jìn)行近似分析時(shí),也可以采用上述直流參數(shù)。 如果需要更高的精確度,就必須慮及雙極性晶體管中的結(jié)電容效應(yīng)帶來的影響。當(dāng)信號(hào)電壓的頻率達(dá)到一定程度后,電流的放大倍數(shù)將會(huì)下降。
功率參數(shù)
雙極性晶體管的最大集電極耗散功率 P CM {\displaystyle P_{\text{CM}}} 是器件在一定溫度與散熱條件下能正常工作的最大功率。在條件相同的情況下,如果實(shí)際功率大于這一數(shù)值,晶體管的溫度將超出最大許可值,使器件性能下降,甚至造成物理?yè)p壞。
極限電流和極限電壓
當(dāng)集電極電流增大到一定數(shù)值 I CM {\displaystyle I_{\text{CM}}} 后,雖然不會(huì)造成雙極性晶體管的損壞,但是電流增益會(huì)明顯降低。為了使晶體管按照設(shè)計(jì)正常工作,需要限制集電極電流的數(shù)值。除此之外,由于雙極性晶體管具有兩個(gè)PN結(jié),因此它們的反向偏置電壓不能夠過大,防止PN結(jié)反向擊穿。 雙極性晶體管的數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)詳細(xì)地列出這些參數(shù)。
當(dāng)功率雙極性晶體管集電極的反向偏置電壓 V CE {\displaystyle V_{\text{CE}}} 超過一定數(shù)值,并且流經(jīng)晶體管的電流超出在一定允許范圍之內(nèi),使得晶體管功率大于二次擊穿臨界功率 P SB {\displaystyle P_{\text{SB}}} 就會(huì)產(chǎn)生一種被稱為“二次擊穿”的危險(xiǎn)現(xiàn)象。在這種情況里,超出設(shè)計(jì)范圍的電流將造成器件內(nèi)部不同區(qū)域的局部溫度不均衡,部分區(qū)域的溫度高于其他區(qū)域。因?yàn)閾诫s的硅具有負(fù)的溫度系數(shù)( temperature coefficient ),所以當(dāng)它處于較高的溫度時(shí),其導(dǎo)電性能更強(qiáng)。這樣,較熱部分就能傳導(dǎo)更多的電流,這部分電流會(huì)產(chǎn)生額外的熱能,造成局部溫度將超過正常值,以致于器件不能正常工作。二次擊穿是一種熱失控,一旦溫度升高,電導(dǎo)率將進(jìn)一步提升,從而造成惡性循環(huán),最終嚴(yán)重?fù)p毀晶體管的結(jié)構(gòu)。整個(gè)二次擊穿過程只需要毫秒或微秒量級(jí)的時(shí)間就可以完成。
如果雙極性晶體管集電結(jié)提供超出允許范圍的反向偏置,并不對(duì)流經(jīng)晶體管的電流進(jìn)行限制,發(fā)射結(jié)將發(fā)生雪崩擊穿,也會(huì)造成器件損壞。
溫度漂移
作為一種模擬的器件,雙極性晶體管的所有參數(shù)都會(huì)不同程度地受溫度影響,特別是電流增益 β β --> {\displaystyle \beta } 。據(jù)研究,溫度每升高1攝氏度, β β --> {\displaystyle \beta } 大約會(huì)增加0.5%到1%。
抗輻射能力
雙極性晶體管對(duì)電離輻射較為敏感。如果將晶體管置于電離輻射的環(huán)境中,器件將因輻射而受到損害。產(chǎn)生損害是因?yàn)檩椛鋵⒃诨鶚O區(qū)域產(chǎn)生缺陷,這種缺陷將在能帶中形成復(fù)合中心( recombination centers )。這將造成器件中起作用的少數(shù)載流子壽命變短,進(jìn)而使晶體管的性能逐漸降低。N型雙極性晶體管由于在輻射環(huán)境中,載流子的有效復(fù)合面積更大,受到的負(fù)面影響比P型晶體管更顯著。 在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合,如核反應(yīng)堆或航天器中的電子控制系統(tǒng)中,必須采用特殊的手段緩解電離輻射帶來的負(fù)面效應(yīng)。
結(jié)構(gòu)
N型雙極性晶體管的截面簡(jiǎn)圖
一個(gè)雙極性晶體管由三個(gè)不同的摻雜半導(dǎo)體區(qū)域組成,它們分別是發(fā)射極區(qū)域、基極區(qū)域和集電極區(qū)域。這些區(qū)域在N型晶體管中分別是N型、P型和N型半導(dǎo)體,而在P型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導(dǎo)體。每一個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域都有一個(gè)引腳端接出,通常用字母 E 、 B 和 C 來表示發(fā)射極( Emitter )、基極( Base )和集電極( Collector )。
基極的物理位置在發(fā)射極和集電極之間,它由輕摻雜、高電阻率的材料制成。集電極包圍著基極區(qū)域,由于集電結(jié)反向偏置,電子很難從這里被注入到基極區(qū)域,這樣就造成共基極電流增益 α α --> {\displaystyle \alpha } 約等于1,而共射極電流增益 β β --> {\displaystyle \beta } 取得較大的數(shù)值。從右邊這個(gè)典型N型雙截面晶體管的截面簡(jiǎn)圖可以看出,集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)。此外,發(fā)射極具有相當(dāng)高的摻雜濃度。
在通常情況下,雙極性晶體管的幾個(gè)區(qū)域在物理性質(zhì)、幾何尺寸上并不對(duì)稱。假設(shè)連接在電路中的晶體管位于正向放大區(qū),如果此時(shí)將晶體管集電極和發(fā)射極在電路中的連接互換,將使晶體管離開正向放大區(qū),進(jìn)入反向工作區(qū)。晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它適合在正向放大區(qū)工作,所以反向工作區(qū)的共基極電流增益 α α --> {\displaystyle \alpha } 和共射極電流增益 β β --> {\displaystyle \beta } 比晶體管位于正向放大區(qū)時(shí)小得多。這種功能上的不對(duì)稱,根本上是緣于發(fā)射極和集電極的摻雜程度不同。因此,在N型晶體管中,盡管集電極和發(fā)射極都為N型摻雜,但是二者的電學(xué)性質(zhì)和功能完全不能互換。發(fā)射極區(qū)域的摻雜程度最高,集電極區(qū)域次之,基極區(qū)域摻雜程度最低。此外,三個(gè)區(qū)域的物理尺度也有所不同,其中基極區(qū)域很薄,并且集電極面積大于發(fā)射極面積。由于雙極性晶體管具有這樣的物質(zhì)結(jié)構(gòu),因此可以為集電結(jié)提供一個(gè)反向偏置,不過這樣做的前提是這個(gè)反向偏置不能過大,以致于晶體管損壞。對(duì)發(fā)射極進(jìn)行重?fù)诫s的目的是為了增加發(fā)射極電子注入到基極區(qū)域的效率,從而實(shí)現(xiàn)盡量高的電流增益。
KSY34型高頻N晶體管實(shí)體中已固定好的晶粒,基極和發(fā)射極通過線焊方式經(jīng)由細(xì)金屬線(金線或鋁線等,本圖為鋁線)引出,集電極則由晶粒底部連接金屬底座引出。
在雙極性晶體管的共射極接法里,施加于基極、發(fā)射極兩端電壓的微,都會(huì)造成發(fā)射極和集電極之間的電流發(fā)生顯著變化。利用這一性質(zhì),可以放大輸入的電流或電壓。把雙極性晶體管的基極當(dāng)做輸入端,集電極當(dāng)做輸出端,可以利用戴維南定理分析這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)。 利用等效的原理,可以將雙極性晶體管看成是電壓控制的電流源,也可以將其視為電流控制的電壓源。此外,從二端口網(wǎng)絡(luò)的左邊看進(jìn)去,基極處的輸入阻抗減小到基極電阻 R B {\displaystyle R_{\text{B}}} 的 1 / ( 1 + β β --> ) {\displaystyle 1/(1+\beta )} ,這樣就降低了對(duì)前一級(jí)電路的負(fù)載能力的要求。
N型
N型雙極性晶體管的結(jié)構(gòu)
N型雙極性晶體管的符號(hào),注意圖中的箭頭指向 外側(cè) 。
N型晶體管是兩種類型雙極性晶體管的其中一種,由兩層N型摻雜區(qū)域和介于二者之間的一層P型摻雜半導(dǎo)體(基極)組成。輸入到基極的微小電流將被放大,產(chǎn)生較大的集電極-發(fā)射極電流。當(dāng)N型晶體管基極電壓高于發(fā)射極電壓,并且集電極電壓高于基極電壓,則晶體管處于正向放大狀態(tài)。在這一狀態(tài)中,晶體管集電極和發(fā)射極之間存在電流。被放大的電流,是發(fā)射極注入到基極區(qū)域的電子(在基極區(qū)域?yàn)樯贁?shù)載流子),在電場(chǎng)的推動(dòng)下漂移到集電極的結(jié)果。由于電子遷移率比空穴遷移率更高, 因此現(xiàn)在使用的大多數(shù)雙極性晶體管為N型。
N型雙極性晶體管的電學(xué)符號(hào)如右圖,基極和發(fā)射極之間的箭頭指向發(fā)射極。
P型
P型雙極性晶體管的符號(hào),注意圖中的箭頭指向 內(nèi)側(cè) 。
雙極性晶體管的另一種類型為P型,由兩層P型摻雜區(qū)域和介于二者之間的一層N型摻雜半導(dǎo)體組成。流經(jīng)基極的微小電流可以在發(fā)射極端得到放大。也就是說,當(dāng)P型晶體管的基極電壓低于發(fā)射極時(shí),集電極電壓低于基極,晶體管處于正向放大區(qū)。
在雙極性晶體管電學(xué)符號(hào)中,基極和發(fā)射極之間的箭頭指向電流的方向,這里的電流為電子流動(dòng)的反方向。與N型相反,P型晶體管的箭頭從發(fā)射極指向基極。
異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管
在圖中的異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管中,基極區(qū)域的能隙分布不均勻有利于少數(shù)載流子(電子)通過基極區(qū)域。圖中淺藍(lán)色表示耗盡層。
異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管( heterojunction bipolar transistor )是一種改良的雙極性晶體管,它具有高速工作的能力。研究發(fā)現(xiàn),這種晶體管可以處理頻率高達(dá)幾百GHz的超高頻信號(hào),因此它適用于射頻功率放大、激光驅(qū)動(dòng)等對(duì)工作速度要求苛刻的應(yīng)用。
異質(zhì)結(jié)是PN結(jié)的一種,這種結(jié)的兩端由不同的半導(dǎo)體材料制成。在這種雙極性晶體管中,發(fā)射結(jié)通常采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),即發(fā)射極區(qū)域采用寬禁帶材料,基極區(qū)域采用窄禁帶材料。常見的異質(zhì)結(jié)用砷化鎵(GaAs)制造基極區(qū)域,用鋁-鎵-砷固溶體(Al x Ga 1-x As)制造發(fā)射極區(qū)域。 采用這樣的異質(zhì)結(jié),雙極性晶體管的注入效率可以得到提升,電流增益 β β --> {\displaystyle \beta } 也可以提數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)。
采用異質(zhì)結(jié)的雙極性晶體管基極區(qū)域的摻雜濃度可以大幅提升,這樣就可以降低基極電極的電阻,并有利于降低基極區(qū)域的寬度。 在傳統(tǒng)的雙極性晶體管,即同質(zhì)結(jié)晶體管中,發(fā)射極到基極的載流子注入效率主要是由發(fā)射極和基極的摻雜比例決定的。在這種情況下,為了得到較高的注入效率,必須對(duì)基極區(qū)域進(jìn)行輕摻雜,這樣就不可避免地使增大了基極電阻。
如左邊的示意圖中, Δ Δ --> ? ? --> p {\displaystyle \Delta \phi _{\text{p}}} 代表空穴從基極區(qū)域到達(dá)發(fā)射極區(qū)域跨越的勢(shì)差;而 Δ Δ --> ? ? --> n {\displaystyle \Delta \phi _{\text{n}}} 則代表電子從發(fā)射極區(qū)域到達(dá)基極區(qū)域跨越的勢(shì)差。由于發(fā)射結(jié)具有異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu),可以使 Δ Δ --> ? ? --> p > Δ Δ --> ? ? --> n {\displaystyle \Delta \phi _{\text{p}}>\Delta \phi _{\text{n}}} ,從而提高了發(fā)射極的注入效率。在基極區(qū)域里,半導(dǎo)體材料的組分分布不均,造成緩變的基極區(qū)域禁帶寬度,其梯度為以 Δ Δ --> ? ? --> G {\displaystyle \Delta \phi _{\text{G}}} 表示。這一緩變禁帶寬度,可以為少數(shù)載流子提供一個(gè)內(nèi)在電場(chǎng),使它們加速通過基極區(qū)域。這個(gè)漂移運(yùn)動(dòng)將與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生協(xié)同作用,減少電子通過基極區(qū)域的渡越時(shí)間,從而改善雙極性晶體管的高頻性能。
盡管有許多不同的半導(dǎo)體可用來構(gòu)成異質(zhì)結(jié)晶體管,硅-鍺異質(zhì)結(jié)晶體管和鋁-砷化鎵異質(zhì)結(jié)晶體管更常用。制造異質(zhì)結(jié)晶體管的工藝為晶體外延技術(shù),例如金屬有機(jī)物氣相外延( Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD )和分子束外延。
工作區(qū)
圖示為雙極性晶體管的 輸出特性曲線 。 注意:為了清晰地示意物理量, 曲線中物理量的比例可能與實(shí)際情況有一定差別 。 藍(lán)色虛線左邊的區(qū)域?yàn)?飽和區(qū) ( Saturation );由藍(lán)色虛線、紅色虛線和棕色虛線包圍的區(qū)域?yàn)?放大區(qū) ( Active ),在這個(gè)區(qū)域里,發(fā)射極電流與基極電流成近似線性關(guān)系;紅色虛線下方表示晶體管尚未導(dǎo)通,處于 截止區(qū) ( Cut-off ); I B0 {\displaystyle I_{\text{B0}}} 為開啟晶體管的最小基極電流;圖中棕色虛線為晶體管的最大集電極耗散功率,它與兩條坐標(biāo)軸包圍的區(qū)域?yàn)?安全工作區(qū) ,與橫軸的交點(diǎn)為最大集電極-基極電壓。
可以根據(jù)晶體管三個(gè)終端的的偏置狀態(tài),可以定義雙極性晶體管幾個(gè)不同的工作區(qū)。在N型半導(dǎo)體中(注意:P型晶體管和N型晶體管的電壓描述恰好相反),按發(fā)射結(jié)(基極-發(fā)射極結(jié))、集電結(jié)(基極-集電極結(jié))的偏置情況,工作區(qū)可以分為為
正向放大區(qū) (或簡(jiǎn)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(shí),晶體管工作在放大區(qū)。大多數(shù)雙極性晶體管的設(shè)計(jì)目標(biāo),是為了在正向放大區(qū)得到最大的共射極電流增益 β β --> F {\displaystyle \beta _{\text{F}}} 。晶體管工作在這一區(qū)域時(shí),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(dòng)時(shí),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) :如果把上述處于正向放大區(qū)晶體管發(fā)射結(jié)、集電結(jié)的偏置電壓互換,則雙極性晶體管將工作在反向放大區(qū)。在這種工作模式中,發(fā)射極和集電極區(qū)域扮演的角色與正向放大區(qū)里正好相反,但是由于晶體管集電極的摻雜濃度低于發(fā)射極,反向放大區(qū)產(chǎn)生的效果與正向放大區(qū)并不相同。大多數(shù)雙極性晶體管的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能得到最大正向放大電流增益,因此,反向放大區(qū)中的電流增益會(huì)比正向放大區(qū)中小一些(在常規(guī)的鍺晶體管中大約是2-3倍)。實(shí)際上,這種工作模式幾乎不被采用,但是為了防止錯(cuò)誤接法造成器件損壞或其他危險(xiǎn),設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。此外,有些類型的雙極性邏輯器件也會(huì)考慮反向放大區(qū)的情況。
飽和區(qū) :當(dāng)雙極性晶體管中兩個(gè)PN結(jié)均處于正向偏置時(shí),它將處于飽和區(qū),這時(shí),晶體管發(fā)射極到集電極的電流達(dá)到最大值,即使增加基極電流,輸出的電流也不會(huì)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) :如果雙極性晶體管兩個(gè)PN結(jié)的偏置情況與飽和區(qū)恰好相反,那么晶體管將處于截止區(qū)。在這種工作模式下,輸出電流非常?。ㄐ」β实墓杈w管小于1微安,鍺晶體管小于幾十微安), 在數(shù)字邏輯中可以用來表示低電平。
突崩潰 :當(dāng)施加在集電結(jié)上的反向偏置將超過集電結(jié)所能承受范圍時(shí),這個(gè)PN結(jié)將被擊穿,若電流足夠大會(huì)造成器件損壞。
此外,分析、設(shè)計(jì)雙極性晶體管電路時(shí),還應(yīng)當(dāng)注意不能超過雙極性晶體管的 最大集電極耗散功率 P CM {\displaystyle P_{\text{CM}}} 。如果晶體管的工作功率小于這一數(shù)值,這些工作狀態(tài)的集合稱為 安全工作區(qū) 。如果晶體管的工作功率超過這個(gè)限度,將造成器件溫度超過正常范圍,器件的性能將產(chǎn)生較大的變化,甚至造成損壞。 硅晶體管允許的結(jié)溫度介于150攝氏度和200攝氏度之間。可以通過降低內(nèi)熱阻、使用散熱片和引入風(fēng)冷、水冷、油冷等措施來提高最大允許耗散功率。
實(shí)際上,上述工作區(qū)之間并沒有絕對(duì)的界限,在較小電壓變化(小于幾百毫伏)范圍內(nèi),上面提到的不同區(qū)域之間可能有一定的重疊。
處于放大區(qū)的雙極性晶體管
N型晶體管的連接圖
左邊這幅示意圖,繪出了一個(gè)由兩個(gè)電壓源提供偏置的N型晶體管,圖中箭頭代表電流的方向(電子流動(dòng)的反方向)。為了使晶體管能夠在集電極和發(fā)射極之間傳導(dǎo)較大的電流(大約1毫安的數(shù)量級(jí)), V BE {\displaystyle V_{\text{BE}}} 必須超過某個(gè)的最小值,使晶體管被導(dǎo)通,這個(gè)最小值常被稱為“導(dǎo)通電壓”。在室溫下,硅雙極性晶體管的導(dǎo)通電壓通常為650毫伏左右,不過這項(xiàng)參數(shù)也隨著晶體管的具體類型變化。偏置電壓 V BE {\displaystyle V_{\text{BE}}} 使圖中下方的PN結(jié)被導(dǎo)通,電子能夠從發(fā)射極擴(kuò)散到基極。當(dāng)晶體管處于放大區(qū),基極和集電極之間的電場(chǎng)(源于 V CE {\displaystyle V_{\text{CE}}} )可以使大部分?jǐn)U散到基極的電子繼續(xù)通過圖中上方的PN結(jié)(發(fā)射結(jié)),以漂移作用進(jìn)入集電極,這樣就形成了集電極電流 I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 。剩余的電子與基極區(qū)域的多數(shù)載流子(即空穴)發(fā)生復(fù)合,從而形成基極電流 I B {\displaystyle I_{\text{B}}} ??梢钥闯?,發(fā)射極電流 I E {\displaystyle I_{\text{E}}} 是流經(jīng)晶體管的總電流,它是基極、集電極輸入電流的總和,即 I E = I B + I C {\displaystyle I_{\text{E}}=I_{\text{B}}+I_{\text{C}}} 。
晶體管工作在放大區(qū)時(shí),集電極電流 I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 與基極電流 I B {\displaystyle I_{\text{B}}} 的比值被稱為直流電流增益。直流電流增益的數(shù)值可以隨溫度變化,不過在有的電路設(shè)計(jì)中,并不需要依賴其精確值(請(qǐng)參見運(yùn)算放大器的例子)。直流電流增益以參數(shù) h FE {\displaystyle h_{\text{FE}}} 表示,而交流信號(hào)增益則以 h fe {\displaystyle h_{\text{fe}}} 表示(參見后面的h參數(shù)模型)。如果沒有特別考慮在不同頻率下的電流增益,即電流變化 δ δ --> I B {\displaystyle \delta I_{\text{B}}} 不太大的時(shí)候,常用符號(hào) β β --> {\displaystyle \beta } 來代表電流增益。
另外值得注意的是,發(fā)射極電流 I E {\displaystyle I_{\text{E}}} 與 V BE {\displaystyle V_{\text{BE}}} 成指數(shù)關(guān)系。在放大器,基極電流與集電極電流近似成線性關(guān)系,所以二者的變化趨勢(shì)相同。
P型雙極性晶體管的情況與N型晶體管類似,不過分析時(shí)應(yīng)注意,其相應(yīng)的電壓值恰好相反。
理論模型
下面的將以N型雙極性晶體管為例進(jìn)行探討,P型晶體管的原理類似。當(dāng)N型晶體管處于正向放大區(qū)時(shí),它的基極-發(fā)射極電壓 V BE {\displaystyle V_{\text{BE}}} 、集電極-基極電壓 V CB {\displaystyle V_{\text{CB}}} 均為正值,即發(fā)射結(jié)為正向偏置,集電結(jié)為反向偏置。在放大區(qū)內(nèi),電子從N型摻雜的發(fā)射極區(qū)域被注入到P型的基極區(qū)域。在基極,電子一方面漂移到到N型摻雜的集電極,一方面與基極區(qū)域的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復(fù)合。
大信號(hào)模型
艾伯斯-莫爾模型
N型雙極性晶體管的艾伯斯-莫爾模型示意圖 (其中: I B {\displaystyle I_{\text{B}}} , I C {\displaystyle I_{\text{C}}} , I E {\displaystyle I_{\text{E}}} 分別為基極電流、集電極電流、發(fā)射極電流; I CD {\displaystyle I_{\text{CD}}} , I ED {\displaystyle I_{\text{ED}}} 分別為集電結(jié)和發(fā)射結(jié)的結(jié)電流; α α --> F {\displaystyle \alpha _{\text{F}}} , α α --> R {\displaystyle \alpha _{\text{R}}} 分別為正向/反向共基極電流增益。
P型雙極性晶體管的艾伯斯-莫爾模型示意圖
N型晶體管在正向放大區(qū)的近似艾伯斯-莫爾模型示意圖,集電結(jié)為反向偏置,因此 I CD {\displaystyle I_{\text{CD}}} 幾乎為零。發(fā)射結(jié)電流大部分都來源于集電極( α α --> F {\displaystyle \alpha _{\text{F}}} 接近1),從而對(duì)基極電流進(jìn)行放大。
1954年,約翰·莫爾( John L. Moll )、朱威爾·艾伯斯( Jewell James Ebers )提出了關(guān)于晶體管電流的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)晶體管處于放大區(qū)時(shí),發(fā)射極和集電極的直流電流可以利用近似艾伯斯-莫爾模型(簡(jiǎn)稱:EM模型)來描述。假設(shè)晶體管為小注入的情況,并且忽略厄利效應(yīng),那么艾伯斯-莫爾方程可以表達(dá)為
基極區(qū)域內(nèi)部的電流主要是由于擴(kuò)散作用,且
這里
V T {\displaystyle V_{\text{T}}} 為熱電壓,它的數(shù)值等于 k T / q {\displaystyle kT/q} (在300開爾文時(shí)大約為26毫伏)
I E {\displaystyle I_{\text{E}}} 為發(fā)射極電流
I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 為集電極電流
α α --> F {\displaystyle \alpha _{\text{F}}} 為共基極電流增益,大約在0.98至0.998之間
I ES {\displaystyle I_{\text{ES}}} 為基極-發(fā)射極結(jié)上的反向飽和電流(其數(shù)量級(jí)在10 到10 安培之間)
V BE {\displaystyle V_{\text{BE}}} 為基極-發(fā)射極電壓
D n {\displaystyle D_{\text{n}}} 為P型區(qū)域內(nèi)的電子擴(kuò)散常數(shù)
W {\displaystyle W} 為基極區(qū)域?qū)挾?/span>
如果需要研究晶體管在任意工作區(qū)時(shí),流經(jīng)晶體管三個(gè)區(qū)域的電流,可以利用下面的嚴(yán)格艾伯斯-莫爾方程來求解。下列方程基于雙極性晶體管的輸運(yùn)模型。
這里
i C {\displaystyle i_{\text{C}}} 為集電極電流
i B {\displaystyle i_{\text{B}}} 為基極電流
i E {\displaystyle i_{\text{E}}} 為發(fā)射極電流
β β --> F {\displaystyle \beta _{F}} 為正向共發(fā)射極電流增益(介于20到500之間)
β β --> R {\displaystyle \beta _{R}} 為反向共發(fā)射極電流增益(介于0到20之間)
I S {\displaystyle I_{\text{S}}} 為反向飽和電流(其數(shù)量級(jí)介于10 到10 安培之間)
V T {\displaystyle V_{\text{T}}} 為熱電壓,在300開爾文時(shí)大約為26毫伏
V BE {\displaystyle V_{\text{BE}}} 為基極-發(fā)射極電壓
V BC {\displaystyle V_{\text{BC}}} 為基極-集電極電壓
厄利效應(yīng)
在理想的雙極性晶體管共射極接法中,如果晶體管工作在放大區(qū),那么集電極電流 I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 不隨集電極-發(fā)射極電壓 V CE {\displaystyle V_{\text{CE}}} 改變,即 I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 曲線斜率為0(請(qǐng)參見雙極性晶體管的輸出特性曲線)。然而,實(shí)際情況是, I C {\displaystyle I_{\text{C}}} 會(huì)隨著 V CE {\displaystyle V_{\text{CE}}} 的增加而增加,這種現(xiàn)象是由于厄利效應(yīng)(或稱為基極區(qū)域?qū)挾日{(diào)制效應(yīng))。 根據(jù)研究,電流增益 β β --> F {\displaystyle \beta _{\text{F}}} 也隨 V CE {\displaystyle V_{\text{CE}}} 變化??梢愿鶕?jù)下面的公式對(duì)上述效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算
這里
V CE {\displaystyle V_{\text{CE}}} 是集電極-發(fā)射極電壓
V T {\displaystyle V_{\text{T}}} 是熱電壓,其數(shù)值為 k T / q {\displaystyle kT/q}
V A {\displaystyle V_{\text{A}}} 是厄利電壓(介于15伏特到150伏特)
β β --> F0 {\displaystyle \beta _{\text{F0}}} 是 V CB = 0 {\displaystyle V_{\text{CB}}=0} 時(shí),雙極性晶體管處于共射極接法的電流增益
古梅爾-潘電荷控制模型
古梅爾-潘模型是一種詳細(xì)描述雙極性晶體管動(dòng)力學(xué)的電荷控制模型, 借助這個(gè)模型,可以比通常的基于終端( terminal-based )模型更為詳細(xì)地探究晶體管的內(nèi)部動(dòng)力原理。 該模型還指出,晶體管的參數(shù) β β --> {\displaystyle \beta } 與流經(jīng)晶體管的直流電流有關(guān),而該參數(shù)在艾伯斯-莫爾模型中曾被認(rèn)為是與電流無關(guān)。
古梅爾-潘模型包含的參數(shù)相當(dāng)多,它的直流模型包括多達(dá)18個(gè)參數(shù),并且參數(shù)之間常常具有非線性的關(guān)系,因此研究中常常需要借助計(jì)算機(jī)。
小信號(hào)模型
混合π模型
混合 π π --> {\displaystyle \pi } 模型是小信號(hào)情況下對(duì)雙極性晶體管的線性二端口網(wǎng)絡(luò)近似,這個(gè)模型考慮了晶體管中發(fā)射結(jié)、集電結(jié)的結(jié)電容在相對(duì)高頻情況下的影響,它使用小信號(hào)基極-發(fā)射極電壓 v b e {\displaystyle v_{be}} 和集電極-發(fā)射極電壓 v ce {\displaystyle v_{\text{ce}}} 作為自變量,小信號(hào)基極電流 i b {\displaystyle i_{\text}} 和集電極電流 i c {\displaystyle i_{\text{c}}} 作為因變量。
低頻時(shí)雙極性晶體管的混合 π π --> {\displaystyle \pi }
模型簡(jiǎn)圖
右圖所示為雙極性晶體管的一個(gè)基本的低頻混合 π π --> {\displaystyle \pi } 模型示意圖,在圖中
g m = i c v be | v ce = 0 = I C V T {\displaystyle g_{m}={\frac {i_{\text{c}}}{v_{\text{be}}}}{\Bigg |}_{v_{\text{ce}}=0}={\frac {I_{\text{C}}}{V_{\text{T}}}}} 為晶體管在簡(jiǎn)化模型里的跨導(dǎo),其單位是西門子
r π π --> = v be i b | v ce = 0 = β β --> 0 g m = V T I B {\displaystyle r_{\pi }={\frac {v_{\text{be}}}{i_{\text}}}{\Bigg |}_{v_{\text{ce}}=0}={\frac {\beta _{\text{0}}}{g_{m}}}={\frac {V_{\text{T}}}{I_{\text{B}}}歐姆 ,以歐姆為單位
r O = v ce i c | v be = 0 = V A + V CE I C ≈ ≈ --> V A I C {\displaystyle r_{\text{O}}={\frac {v_{\text{ce}}}{i_{\text{c}}}}{\Bigg |}_{v_{\text{be}}=0}={\frac {V_{\text{A}}+V_{\text{CE}}}{I_{\text{C}}}}\approx {\frac {V_{\text{A}}}{I_{\text{C}}}}} 為厄利效應(yīng)導(dǎo)致的輸出電阻, V A {\displaystyle V_{\text{A}}} 為厄利效應(yīng)電壓。
h參數(shù)模型
通用化的N型雙極性晶體管的h參數(shù)模型。將 x {\displaystyle x} 替換為 e {\displaystyle e} 、 b {\displaystyle b} 或 c {\displaystyle c} 可以分別用來描述CE、CB或CC組態(tài)。
在低頻小信號(hào)的情況里,還可以用 h {\displaystyle h} 參數(shù)模型來分析雙極性晶體管電路,它也是將晶體管看做一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)。該模型以輸入電流和輸出電壓為自變量,從而得出等效電路模型。 利用這種方法,可以較容易地分析雙極性晶體管在電路中的行為。在右圖中,符號(hào) x {\displaystyle x} 代表不同的晶體管引腳,需要根據(jù)晶體管不同的接法來確定。對(duì)于共射極接法,
x {\displaystyle x} 被替換為 e {\displaystyle e}
終端1相當(dāng)于基極
終端2相當(dāng)于集電極
終端3相當(dāng)于發(fā)射極
i i {\displaystyle i_{\text{i}}} 為輸入的基極電流
i o {\displaystyle i_{\text{o}}} 為輸出的集電極電流
V i {\displaystyle V_{\text{i}}} 為輸入的基極-發(fā)射極電壓
V o {\displaystyle V_{\text{o}}} 為輸出的集電極-發(fā)射極電壓
對(duì)應(yīng)的一組h參數(shù)為
h ix = h ie {\displaystyle h_{\text{ix}}=h_{\text{ie}}} 為晶體管的輸入阻抗(相當(dāng)于基極電阻)
h rx = h re {\displaystyle h_{\text{rx}}=h_{\text{re}}} 為晶體管 I B {\displaystyle I_{\text{B}}} 與 V BE {\displaystyle V_{\text{BE}}} 關(guān)系隨 V CE {\displaystyle V_{\text{CE}}} 的變化關(guān)系,這項(xiàng)參數(shù)的數(shù)值通常很小,以至于可以忽略不計(jì)。
h fx = h fe {\displaystyle h_{\text{fx}}=h_{\text{fe}}} 為晶體管的共射極電流增益,即是交流小信號(hào)分析下的交流電流增益,也就是 β β --> AC {\displaystyle \beta _{\text{AC}}} 。至于直流分析(大信號(hào)分析)下的 h FE {\displaystyle h_{\text{FE}}} 則是直流(DC)電流增益(即數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 β β --> DC {\displaystyle \beta _{\text{DC}}} )。
h ox = 1 / h oe {\displaystyle h_{\text{ox}}=1/h_{\text{oe}}} 為晶體管的輸出阻抗。參數(shù) h oe {\displaystyle h_{\text{oe}}} 通常相當(dāng)于雙極性晶體管的輸出導(dǎo)納,使用時(shí)需要通過對(duì)它求倒數(shù)轉(zhuǎn)換為阻抗。
h {\displaystyle h} 參數(shù)模型中采用小寫字母下標(biāo)的電學(xué)量表示它們?yōu)榻涣鞯?,這意味著 h {\displaystyle h} 模型完全可以用來分析雙極性晶體管在較高頻率時(shí)的性質(zhì)。對(duì)于直流的情況,則采用大寫字母來標(biāo)示這些參數(shù) 。
參考文獻(xiàn)
參見
半導(dǎo)體
載流子(電子、空穴)
漂移運(yùn)動(dòng)
擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)
PN結(jié)
二極管
場(chǎng)效應(yīng)管
放大器電路
運(yùn)算放大器
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