什么是雙極性晶體管

　　雙極性晶體管（英語(yǔ)： bipolar transistor），全稱雙極性結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor， BJT），俗稱三極管，是一種具有三個(gè)終端的電子器件。雙極性晶體管是電子學(xué)歷史上具有革命意義的一項(xiàng)發(fā)明，其發(fā)明者威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·布喇頓被授予了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　這種晶體管的工作，同時(shí)涉及電子和空穴兩種載流子的流動(dòng)，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載子電晶體。這種工作方式與諸如場(chǎng)效應(yīng)管的單極性晶體管不同，后者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區(qū)域之間的邊界由PN結(jié)形成。

　　雙極性晶體管的基本原理

　　NPN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，基極-發(fā)射極結(jié)（稱這個(gè)PN結(jié)為“發(fā)射結(jié)”）處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極（稱這個(gè)PN結(jié)為“集電結(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（這一區(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)（也成為耗盡層），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NPN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)，因此在這區(qū)域電子被稱為“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。

　　雙極性晶體管的結(jié)構(gòu)

　　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NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導(dǎo)體，而在PNP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約等于1，而共射極電流增益取得較大的數(shù)值。從右邊這個(gè)典型NPN型雙極性晶體管的截面簡(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)的共基極電流增益和共射極電流增益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NPN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。

　　在雙極性晶體管的共射極接法里，施加于基極、發(fā)射極兩端電壓的微小變化，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的，這樣就降低了對(duì)前一級(jí)電路的負(fù)載能力的要求

　　雙極性晶體管和三極管有什么區(qū)別

　　雙極型晶體管就是三極管，最簡(jiǎn)單的區(qū)分就是：

　　三個(gè)極是使用：集電極、基極、發(fā)射極來稱呼的都是雙極型晶體管。

　　因?yàn)閱螛O型管（場(chǎng)效應(yīng)管）不使用這樣的稱呼（使用：源極、柵極、漏極來稱呼）。

　　雙極性晶體管的應(yīng)用

　　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。

　　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），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。

　　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。