双极性晶体管

双极性晶体管（英语：bipolar transistor），全称双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极管，是一种具有三个终端的电子器件。双极性晶体管是电子学历史上具有革命意义的一项发明，:79其发明者威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布喇顿被授予1956年的诺贝尔物理学奖。

这种晶体管的工作，同时涉及电子和空穴两种载流子的流动，因此它被称为双极性的，所以也称双极性载流子晶体管。这种工作方式与诸如场效应管的单极性晶体管不同，后者的工作方式仅涉及单一种类载流子的漂移作用。两种不同掺杂物聚集区域之间的边界由PN结形成。:95

双极性晶体管由三部分掺杂程度不同的半导体制成，晶体管中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动。以NPN晶体管为例，按照设计，高掺杂的发射极区域的电子，通过扩散作用运动到基极。在基极区域，空穴为多数载流子，而电子少数载流子。由于基极区域很薄，这些电子又通过漂移运动到达集电极，从而形成集电极电流，因此双极性晶体管被归到少数载流子设备。:30:35

双极性晶体管能够放大信号，并且具有较好的功率控制、高速工作以及耐久能力，:48，所以它常被用来构成放大器电路，或驱动扬声器、电动机等设备，并被广泛地应用于航空航天工程、医疗器械和机器人等应用产品中。:48

通断（传递信号）时的双极晶体管表现出一些延迟特性。大多数晶体管，尤其是功率晶体管，具有长的储存时间，限制操作处理器的最高频率。一种方法用于减少该存储时间是使用Baker clamp。

1947年12月，贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿在威廉·肖克利的指导下共同发明了点接触形式的双极性晶体管。1948年，肖克利发明了采用结型构造的双极性晶体管。在其后的大约三十年时间内这种器件是制造分立元件电路和集成电路的不二选择。

早期的晶体管是由锗制造的。在1950年代和1960年代，锗晶体管的使用多于硅晶体管。硅晶体管截止电压通常为0.5至 1V，锗晶体管的截止电压更小，通常约0.2V，这使得锗晶体管适用于某些应用场合例如高灵敏度的设备。在晶体管的早期历史中，曾有多种双极性晶体管的制造方法被开发出来。

锗晶体管的一个主要缺点是它容易产生热失控。由于锗的禁带宽度较窄，如果要稳定工作，则对其工作温度的要求相对硅半导体更严，因此大多数现代的双极性晶体管是由硅制造的。采用硅的另外一个原因是容易形成稳定的二氧化硅，二氧化硅与其他金属之间的粘性也大，容易制作电子器件。

后来，人们也开始使用以砷化镓为代表的化合物来制造半导体晶体管。砷化镓的电子迁移率为硅的5倍，用它制造的晶体管能够达到较高的工作频率。此外，砷化镓热导率较低，有利于高温下进行的加工。化合物晶体管通常可以应用于高速器件。

双极性晶体管能够提供信号放大，它在功率控制、模拟信号处理等领域有所应用。此外，由于基极-发射极偏置电压与温度、电流的关系已知，双极性晶体管还可以被用来测量温度。根据基极-发射极电压与基极-发射极和集电极-发射极电流的对数关系，双极性晶体管也能被用来计算对数或求自然对数的幂指数。

随着人们对于能源问题的认识不断加深，场效应管（例如互补式金属氧化物半导体）技术凭借更低的功耗，在数字集成电路中逐渐成为主流，双极性晶体管在集成电路中的使用由此逐渐变少。:48-49但是应当看到，即使在现代的集成电路中，双极性晶体管依然是一种重要的器件，市场上仍有大量种类齐全、价格低廉的晶体管产品可供选择。与金属氧化物半导体场效应晶体管相比，双极性晶体管能提供较高的跨导和输出电阻，并具有高速、耐久的特性，在功率控制方面能力突出。:48因此，双极性晶体管依旧是组成模拟电路，尤其是甚高频应用电路（如无线通信系统中的射频电路）的重要配件。双极性晶体管可以通过BiCMOS技术与和MOSFET制作在一块集成电路上，这样就可以充分利用两者的优点（如双极性晶体管的电流放大能力和场效应管的低功耗特点）。:53-54

NPN型双极性晶体管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在双极性晶体管的正常工作状态下，发射结（基极与发射极之间的PN结）处于正向偏置状态，而集电结（基极与集电极之间的PN结）则处于反向偏置状态。:29-30在没有外加电压时，发射结N区的电子（该区域的多数载流子）浓度大于P区的电子浓度，部分电子将扩散到P区。同理，P区的部分空穴也将扩散到N区。这样，发射结上将形成一个空间电荷区（也称为耗尽层），产生一个内在的电场，其方向由N区指向P区，这个电场将阻碍上述扩散过程的进一步发生，从而达成动态平衡。:161-162这时，如果把一个正向电压施加在发射结上，上述载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破，这样会使热激发电子注入基极区域。在NPN型晶体管里，基区为P型掺杂，这里空穴为多数掺杂物质，而电子则为少数载流子。

从发射极被注入到基极区域的电子，一方面与这里的多数载流子空穴发生复合，另一方面，由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄，并且集电结处于反向偏置状态，大部分电子将通过漂移运动抵达集电极区域，形成集电极电流。:35为了尽量缓解电子在到达集电结之前发生的复合，晶体管的基极区域的厚度必须远小于电子的扩散长度（diffusion length，参见菲克定律），使得载流子扩散所需的时间短于半导体少数载流子的寿命。在现代的双极性晶体管中，基极区域厚度的典型值为十分之几微米。:347需要注意的是，集电极、发射极虽然都是N型掺杂，但是二者掺杂程度、物理属性并不相同，因此必须将双极性晶体管与两个相反方向二极管串联在一起的形式区分开来。:33-34

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。

从基极区域的少数载流子浓度出发，可以解释集电极的载流子流动。:12如果双极性晶体管为小注入，即通过某些物理过程（如光注入或电注入）引入的非平衡载流子（excess carrier，或称“过剩载流子”）比热平衡时的多数载流子少得多，:126-127双极性扩散（即非平衡多数载流子和少数载流子以相同速率流动）速率实际上由非平衡少数载流子决定。另外，双极性晶体管处理高频信号的能力还受限于基极区域载流子的渡越时间。:12

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${\displaystyle {\mathrm{\beta <!--\; \beta \; -->}}_{\text{F}}}$GaAs）制造发射极区域。:101采用这样的异质结，双极性晶体管的注入效率可以得到提升，电流增益${\displaystyle \mathrm{\beta <!--\; \beta \; -->}}$也可以提高几个数量级。

采用异质结的双极性晶体管基极区域的掺杂浓度可以大幅提升，这样就可以降低基极电极的电阻，并有利于降低基极区域的宽度。:101在传统的双极性晶体管，即同质结晶体管中，发射极到基极的载流子注入效率主要是由发射极和基极的掺杂比例决定的。在这种情况下，为了得到较高的注入效率，必须对基极区域进行轻掺杂，这样就不可避免地使增大了基极电阻。

如左边的示意图中，${\displaystyle \mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}_{\text{p}}}$代表空穴从基极区域到达发射极区域跨越的势差；而${\displaystyle \mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}_{\text{n}}}$则代表电子从发射极区域到达基极区域跨越的势差。由于发射结具有异质结的结构，可以使${\displaystyle \mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}_{\text{p}}>\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}_{\text{n}}}$，从而提高了发射极的注入效率。在基极区域里，半导体材料的组分分布不均，造成缓变的基极区域禁带宽度，其梯度为以${\displaystyle \mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}_{\text{G}}}$表示。这一缓变禁带宽度，可以为少数载流子提供一个内在电场，使它们加速通过基极区域。这个漂移运动将与扩散运动产生协同作用，减少电子通过基极区域的渡越时间，从而改善双极性晶体管的高频性能。:101-102

尽管有许多不同的半导体可用来构成异质结晶体管，硅-锗异质结晶体管和铝-砷化镓异质结晶体管更常用。制造异质结晶体管的工艺为晶体外延技术，例如金属有机物气相外延（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束外延。

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（基极-发射极结）、集电结（基极-集电极结）的偏置情况，工作区可以分为为

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${\displaystyle P_{\text{CM}}}$。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。:35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。:147

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。

左边这幅示意图，绘出了一个由两个电压源提供偏置的NPN型晶体管，图中箭头代表电流的方向（电子流动的反方向）。为了使晶体管能够在集电极和发射极之间传导较大的电流（大约1毫安的数量级），${\displaystyle V_{\text{BE}}}$必须超过某个的最小值，使晶体管被导通，这个最小值常被称为“导通电压”。在室温下，硅双极性晶体管的导通电压通常为650毫伏左右，不过这项参数也随着晶体管的具体类型变化。偏置电压${\displaystyle V_{\text{BE}}}$使图中下方的PN结被导通，电子能够从发射极扩散到基极。当晶体管处于放大区，基极和集电极之间的电场（源于${\displaystyle V_{\text{CE}}}$）可以使大部分扩散到基极的电子继续通过图中上方的PN结（发射结），以漂移作用进入集电极，这样就形成了集电极电流${\displaystyle I_{\text{C}}}$。剩余的电子与基极区域的多数载流子（即空穴）发生复合，从而形成基极电流${\displaystyle I_{\text{B}}}$。可以看出，发射极电流${\displaystyle I_{\text{E}}}$是流经晶体管的总电流，它是基极、集电极输入电流的总和，即${\displaystyle I_{\text{E}}=I_{\text{B}}+I_{\text{C}}}$。:31

晶体管工作在放大区时，集电极电流${\displaystyle I_{\text{C}}}$与基极电流${\displaystyle I_{\text{B}}}$的比值被称为直流电流增益。直流电流增益的数值可以随温度变化，不过在有的电路设计中，并不需要依赖其精确值（请参见运算放大器的例子）。直流电流增益以参数${\displaystyle h_{\text{FE}}}$表示，而交流信号增益则以${\displaystyle h_{\text{fe}}}$表示（参见后面的h参数模型）。如果没有特别考虑在不同频率下的电流增益，即电流变化${\displaystyle \mathrm{\delta <!--\; \delta \; -->}{I}_{\text{B}}}$不太大的时候，常用符号${\displaystyle \mathrm{\beta <!--\; \beta \; -->}}$来代表电流增益。:31

另外值得注意的是，发射极电流${\displaystyle I_{\text{E}}}$与${\displaystyle V_{\text{BE}}}$成指数关系。在放大器，基极电流与集电极电流近似成线性关系，所以二者的变化趋势相同。

PNP型双极性晶体管的情况与NPN型晶体管类似，不过分析时应注意，其相应的电压值恰好相反。

下面的将以NPN型双极性晶体管为例进行探讨，PNP型晶体管的原理类似。当NPN型晶体管处于正向放大区时，它的基极-发射极电压${\displaystyle V_{\text{BE}}}$、集电极-基极电压${\displaystyle V_{\text{CB}}}$均为正值，即发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。在放大区内，电子从N型掺杂的发射极区域被注入到P型的基极区域。在基极，电子一方面漂移到到N型掺杂的集电极，一方面与基极区域的多数载流子空穴发生复合。

1954年，约翰·莫尔（John L. Moll）、朱威尔·艾伯斯（Jewell James Ebers）提出了关于晶体管电流的数学模型。当晶体管处于放大区时，发射极和集电极的直流电流可以利用近似艾伯斯-莫尔模型（简称：EM模型）来描述。假设晶体管为小注入的情况，并且忽略厄利效应，那么艾伯斯-莫尔方程可以表达为:218

基极区域内部的电流主要是由于扩散作用，且

这里

如果需要研究晶体管在任意工作区时，流经晶体管三个区域的电流，可以利用下面的严格艾伯斯-莫尔方程来求解。下列方程基于双极性晶体管的输运模型。

这里

在理想的双极性晶体管共射极接法中，如果晶体管工作在放大区，那么集电极电流${\displaystyle I_{\text{C}}}$不随集电极-发射极电压${\displaystyle V_{\text{CE}}}$改变，即${\displaystyle I_{\text{C}}}$曲线斜率为0（请参见双极性晶体管的输出特性曲线）。然而，实际情况是，${\displaystyle I_{\text{C}}}$会随着${\displaystyle V_{\text{CE}}}$的增加而增加，这种现象是由于厄利效应（或称为基极区域宽度调制效应）。:116根据研究，电流增益${\displaystyle {\mathrm{\beta <!--\; \beta \; -->}}_{\text{F}}}$也随${\displaystyle V_{\text{CE}}}$变化。可以根据下面的公式对上述效应进行计算:317

这里

古梅尔-潘模型是一种详细描述双极性晶体管动力学的电荷控制模型，:827-852借助这个模型，可以比通常的基于终端（terminal-based）模型更为详细地探究晶体管的内部动力原理。该模型还指出，晶体管的参数${\displaystyle \mathrm{\beta <!--\; \beta \; -->}}$与流经晶体管的直流电流有关，而该参数在艾伯斯-莫尔模型中曾被认为是与电流无关。:509

古梅尔-潘模型包含的参数相当多，它的直流模型包括多达18个参数，并且参数之间常常具有非线性的关系，因此研究中常常需要借助计算机。:228

混合${\displaystyle \mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}$模型是小信号情况下对双极性晶体管的线性二端口网络近似，这个模型考虑了晶体管中发射结、集电结的结电容在相对高频情况下的影响，它使用小信号基极-发射极电压${\displaystyle v_{be}}$和集电极-发射极电压${\displaystyle v_{\text{ce}}}$作为自变量，小信号基极电流${\displaystyle i_{\text{b}}}$和集电极电流${\displaystyle i_{\text{c}}}$作为因变量。:13.5, 13.19

右图所示为双极性晶体管的一个基本的低频混合${\displaystyle \mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}$模型示意图，在图中

在低频小信号的情况里，还可以用${\displaystyle h}$参数模型来分析双极性晶体管电路，它也是将晶体管看做一个二端口网络。该模型以输入电流和输出电压为自变量，从而得出等效电路模型。:96利用这种方法，可以较容易地分析双极性晶体管在电路中的行为。在右图中，符号${\displaystyle x}$代表不同的晶体管引脚，需要根据晶体管不同的接法来确定。对于共射极接法，

对应的一组h参数为

${\displaystyle h}$参数模型中采用小写字母下标的电学量表示它们为交流的，这意味着${\displaystyle h}$模型完全可以用来分析双极性晶体管在较高频率时的性质。对于直流的情况，则采用大写字母来标示这些参数。