複合晶體管

為了説清二極管和三極管原理，我們先來做一個實驗。在一瓶水中滴入一滴墨水，即使我們不再攪動它，經過一段時間的放置，整瓶水也會全部變成墨水的顏色。這是因為在流體中，物質高濃度高的一方總是會向着物質低濃度的一方進行滲透擴散。在水中，墨水的濃度是低濃度，而水的濃度為高濃度，所以水就往墨水中滲透。而在墨水中，水的濃度是低濃度，墨水的濃度為高濃度，所以墨水就往水中滲透。

經過切片後的單晶硅並不是接上線就能成為集成電路和三極管的，而是要經過很多個工序才能最終完成。第一道工序就是摻雜。為了製成二極管、三極管，摻雜是絕對必要的。我們就來看下二極管、三極管是怎麼做成的。

上面説過經過切片後的單晶硅需要摻入雜質，但雜質不等同於垃圾，此雜質也非單晶硅提純前的彼雜質。用於二極管、三極管集成電路的單晶硅，摻入的是高純度單質磷和高純度的單質硼。摻雜的方法普遍用的是擴散法，摻雜的量也是需要嚴格控制的，不能多也不能少。否則就會影響元件的性能，甚至成為廢品。

在一塊單晶硅摻入磷（當然也可摻入砷等其他五價元素）後，就形成了N型半導體。由於磷是五價的，也就是説磷原子的最外層有五個電子。這五個電子跟相鄰的硅原子最外層的四個電子形成共價鍵後，還多一個電子，而這個多出來的電子與磷原子和硅原子的結合力就會弱很多。所以，這個多出來的電子就成為比較容易移動的“自由電子”。這樣一來，這塊半導體的導電性能就大大地增強了。我們再用相同的方法，在另一塊單晶硅中摻入三價的硼原子，摻有硼原子的半導體就是P型半導體。由於P型半導體中的硼原子最外層只有三個電子，這三個電子與相鄰的硅原子形成共價鍵時少一個電子。這樣，這個原子就形成了一個空穴，而這個空穴容易從其他原子中得到一個電子。但這樣失去電子的原子又形成了空穴，這樣，這些空穴也跟自由電子一樣變成了一個“自由空穴”。 ^[1] 

達林頓晶體管是由兩個n-p-n晶體管組合而成的一種複合晶體管（見圖1）；其中第一個BJT（T1）是CC組態（射極跟隨器），第二個BJT（T2）是CE組態。從功能上來説，該達林頓晶體管實際上它也就等效於一個CE組態的n-p-n晶體管（極性與T2管相同）。

因為作為射極跟隨器的T1和發射極接地的T2這兩個晶體管都具有很大的電流增益，因此達林頓晶體管的總電流增益也就更大（總增益等於T1和T2的電流增益的乘積）。達林頓晶體管的輸入電阻是由較高的T1的輸入電阻與其後面的摺合電阻串聯而成的，故達林頓晶體管的輸入電阻也很高。正因為達林頓晶體管具有很大的電流增益和很高的輸入電阻，所以它在IC中得到了廣泛的應用。

但是，達林頓晶體管也有若干不足之處。其一是輸出電阻很低（因為射極跟隨器T1的輸出電阻很低，故複合管的輸出電阻比單個晶體管的還要低）；其二是跨導很小，這是由於其輸入電阻很高，以致輸入電壓的變化難以引起輸出電流發生較大變化的緣故；其三是達林頓晶體管的頻率特性較差，因為其中T1的集電結勢壘電容是一個Miller電容的緣故。其四是多采用了一個晶體管（兩個晶體管起着一個晶體管的作用），這在IC中即增加了所佔用芯片的面積；然而，構成達林頓管的兩個晶體管可以放置在一個隔離區中（因為它們的集電極是連接在一起的，電位相同），這對於集成又是有利的。 ^[2] 

這種複合晶體管也是由兩個n-p-n晶體管構成的（見圖2），第一個BJT（T1）是CC組態（射極跟隨器），第二個BJT（T2）是CE組態，總的可等效為一個CE組態的n-p-n晶體管（極性與T2管相同）。該複合晶體管與達林頓晶體管的差別僅在於T1的集電極不與T2的集電極相連接。這一接法上的小小改動，卻對於提高複合晶體管的頻率特性大有好處，因為這時T1的集電結勢壘電容就不再是Miller電容了；而且該複合晶體管的其它性能參數（輸入電阻、電流增益和跨導等）都與達林頓晶體管的相同，並且輸出電阻還有所提高（這時的輸出電阻就等於T2的輸出電阻）。因此CC-CE複合管在IC中大有用武之地。

這是把CE組態的p-n-p晶體管（T1）與CC組態的n-p-n晶體管（T2）組合起來構成的一種複合器件（見圖3），其功能就相當於一個p-n-p晶體管。其中的T1和T2都具有較大的電流增益，則複合器件的總電流增益大大提高（等於兩個晶體管的增益的乘積）；複合器件的總輸入電阻就等於T1的輸入電阻，但總的輸出電阻卻因為T2的輸出電阻很低而被大大降低了；又，複合器件的總跨導也隨着電流增益的提高而得到了很大的提高。

這種複合器件在IC中具有重要意義。因為通過這種組合可以把橫向p-n-p晶體管（具有較小的電流增益）的電流增益大大提高，以滿足使用的要求。 ^[2]