雙極性晶體管工作原理

　　什么是雙極性晶體管

　　雙極性晶體管（英語：bipolar transistor），全稱雙極性結型晶體管（bipolar junction transistor， BJT），俗稱三極管，是一種具有三個終端的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導體制成，晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。

　　這種晶體管的工作，同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場效應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域之間的邊界由PN結形成。

　　雙極性晶體管能夠放大信號，并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力，，所以它常被用來構成放大器電路，或驅動揚聲器、電動機等設備，并被廣泛地應用于航空航天工程、醫療器械和機器人等應用產品中。

　　雙極性晶體管工作原理

　　NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽極的兩個二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態下，基極-發射極結（稱這個PN結為“發射結”）處于正向偏置狀態，而基極-集電極（稱這個PN結為“集電結”）則處于反向偏置狀態。在沒有外加電壓時，發射結N區的電子（這一區域的多數載流子）濃度大于P區的電子濃度，部分電子將擴散到P區。同理，P區的部分空穴也將擴散到N區。這樣，發射結上將形成一個空間電荷區（也成為耗盡層），產生一個內在的電場，其方向由N區指向P區，這個電場將阻礙上述擴散過程的進一步發生，從而達成動態平衡。這時，如果把一個正向電壓施加在發射結上，上述載流子擴散運動和耗盡層中內在電場之間的動態平衡將被打破，這樣會使熱激發電子注入基極區域。在NPN型晶體管里，基區為P型摻雜，這里空穴為多數摻雜物質，因此在這區域電子被稱為“少數載流子”。

　　從發射極被注入到基極區域的電子，一方面與這里的多數載流子空穴發生復合，另一方面，由于基極區域摻雜程度低、物理尺寸薄，并且集電結處于反向偏置狀態，大部分電子將通過漂移運動抵達集電極區域，形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達集電結之前發生的復合，晶體管的基極區域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴散所需的時間短于半導體少數載流子的壽命，同時，基極的厚度必須遠小于電子的擴散長度（diffusion length，參見菲克定律）。在現代的雙極性晶體管中，基極區域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集電極、發射極雖然都是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相反方向二極管串聯在一起的形式區分開來。

　　雙極性晶體管發展應用

　　1947年12月，貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·豪澤·布喇頓在威廉·肖克利的指導下共同發明了點接觸形式的雙極性晶體管。1948年，肖克利發明了采用結型構造的雙極性晶體管。在其后的大約三十年時間內，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。相對于硅晶體管，鍺晶體管的截止電壓更小，通常約0.2伏特，這使得鍺晶體管適用于某些應用場合。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出來。

　　鍺晶體管的一個主要缺點是它容易產生熱失控。由于鍺的禁帶寬度較窄，并且要穩定工作則要求的溫度相對硅半導體更嚴，因此大多數現代的雙極性晶體管是由硅制造的。采用硅材料的另一個重要原因是硅在地球上的儲量比鍺豐富得多（僅次于氧）。

　　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到較高的工作頻率。此外，砷化鎵熱導率較低，有利于高溫下進行的加工?；衔锞w管通?？梢詰糜诟咚倨骷?。

　　雙極性晶體管能夠提供信號放大，它在功率控制、模擬信號處理等領域有所應用。此外，由于基極-發射極偏置電壓與溫度、電流的關系已知，雙極性晶體管還可以被用來測量溫度。根據基極-發射極電壓與基極-發射極和集電極-發射極電流的對數關系，雙極性晶體管也能被用來計算對數或求自然對數的冪指數。

　　隨著人們對于能源問題的認識不斷加深，場效應管（如CMOS）技術憑借更低的功耗，在數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。但是應當看到，即使在現代的集成電路中，雙極性晶體管依然是一種重要的器件，市場上仍有大量種類齊全、價格低廉的晶體管產品可供選擇。與金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET，它是場效應管的一種，另一種為結型場效應管）相比，雙極性晶體管能提供較高的跨導和輸出電阻，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，尤其是甚高頻應用電路（如無線通信系統中的射頻電路）的重要配件。雙極性晶體管可以通過BiCMOS技術與和MOSFET制作在一塊集成電路上，這樣就可以充分利用兩者的優點（如雙極性晶體管的電流放大能力和場效應管的低功耗特點）