雙極性晶體管

雙極性晶體管是電子學歷史上具有革命意義的一項發明，其發明者威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·布喇頓被授予了1956年的諾貝爾物理學獎。 ^[1] 

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，後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於載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。以NPN晶體管為例，按照設計，高摻雜的發射極區域的電子，通過擴散作用運動到基極。在基極區域，空穴為多數載流子，電子是少數載流子。由於基極區域很薄，這些電子又通過漂移運動到達集電極，從而形成集電極電流，因此雙極性晶體管被歸到少數載流子設備。

雙極性晶體管能夠放大信號，並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，並被廣泛地應用於航空航天工程、醫療器械和機器人等應用產品中。

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”）處於正向偏置狀態，而基極-集電極（稱這個PN結為“集電結”）則處於反向偏置狀態。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）濃度大於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型晶體管裏，基區為P型摻雜，這裏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，一方面與這裏的多數載流子空穴發生複合，另一方面，由於基極區域摻雜程度低、物理尺寸薄，並且集電結處於反向偏置狀態，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。為了儘量緩解電子在到達集電結之前發生的複合，晶體管的基極區域必須製造得足夠薄，以至於載流子擴散所需的時間短於半導體少數載流子的壽命，同時，基極的厚度必須遠小於電子的擴散長度（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、物理屬性並不相同，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。

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，肖克利發明了採用結型構造的雙極性晶體管。在其後的大約三十年時間內，這種器件是製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製造的。在1950年代和1960年代，鍺晶體管的使用多於硅晶體管。相對於硅晶體管，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於某些應用場合。在晶體管的早期歷史中，曾有多種雙極性晶體管的製造方法被開發出來。

鍺晶體管的一個主要缺點是它容易產生熱失控。由於鍺的禁帶寬度較窄，並且要穩定工作則要求的温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製造的。採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（僅次於氧）。

後來，人們也開始使用以砷化鎵為代表的化合物來製造半導體晶體管。砷化鎵的電子遷移率為硅的5倍，用它製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，有利於高温下進行的加工。化合物晶體管通常可以應用於高速器件。

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，由於基極-發射極偏置電壓與温度、電流的關係已知，雙極性晶體管還可以被用來測量温度。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係，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。

隨着人們對於能源問題的認識不斷加深，場效應管（如CMOS）技術憑藉更低的功耗，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，並具有高速、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製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）

從基極區域的少數載流子濃度出發，可以解釋集電極的載流子流動。如果雙極性晶體管為小注入（low level injection），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”）比熱平衡時的多數載流子少得多，雙極性擴散（即非平衡多數載流子和少數載流子以相同速率流動）速率實際上由非平衡少數載流子決定。另外，雙極性晶體管處理高頻信號的能力還受限於基極區域載流子的渡越時間。

一個雙極性晶體管由三個不同的摻雜半導體區域組成，它們分別是發射極區域、基極區域和集電極區域。這些區域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導體，而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導體。每一個半導體區域都有一個引腳端接出，通常用字母E、B和C來表示發射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。

基極的物理位置在發射極和集電極之間，它由輕摻雜、高電阻率的材料製成。集電極包圍着基極區域，由於集電結反向偏置，電子很難從這裏被注入到基極區域，這樣就造成共基極電流增益約等於1，而共射極電流增益取得較大的數值。從右邊這個典型NPN型雙極性晶體管的截面簡圖可以看出，集電結的面積大於發射結。此外，發射極具有相當高的摻雜濃度。

在通常情況下，雙極性晶體管的幾個區域在物理性質、幾何尺寸上並不對稱。假設連接在電路中的晶體管位於正向放大區，如果此時將晶體管集電極和發射極在電路中的連接互換，將使晶體管離開正向放大區，進入反向工作區。晶體管的內部結構決定了它適合在正向放大區工作，所以反向工作區的共基極電流增益和共射極電流增益比晶體管位於正向放大區時小得多。這種功能上的不對稱，根本上是緣於發射極和集電極的摻雜程度不同。因此，在NPN型晶體管中，儘管集電極和發射極都為N型摻雜，但是二者的電學性質和功能完全不能互換。發射極區域的摻雜程度最高，集電極區域次之，基極區域摻雜程度最低。此外，三個區域的物理尺度也有所不同，其中基極區域很薄，並且集電極面積大於發射極面積。由於雙極性晶體管具有這樣的物質結構，因此可以為集電結提供一個反向偏置，不過這樣做的前提是這個反向偏置不能過大，以致於晶體管損壞。對發射極進行重摻雜的目的是為了增加發射極電子注入到基極區域的效率，從而實現儘量高的電流增益。

在雙極性晶體管的共射極接法裏，施加於基極、發射極兩端電壓的微小變化，都會造成發射極和集電極之間的電流發生顯著變化。利用這一性質，可以放大輸入的電流或電壓。把雙極性晶體管的基極當做輸入端，集電極當做輸出端，可以利用戴維南定理分析這個二端口網絡。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，從二端口網絡的左邊看進去，基極處的輸入阻抗減小到基極電阻的，這樣就降低了對前一級電路的負載能力的要求 ^[2]  。

NPN型晶體管是兩種類型雙極性晶體管的其中一種，由兩層N型摻雜區域和介於二者之間的一層P型摻雜半導體（基極）組成。輸入到基極的微小電流將被放大，產生較大的集電極-發射極電流。當NPN型晶體管基極電壓高於發射極電壓，並且集電極電壓高於基極電壓，則晶體管處於正向放大狀態。在這一狀態中，晶體管集電極和發射極之間存在電流。被放大的電流，是發射極注入到基極區域的電子（在基極區域為少數載流子），在電場的推動下漂移到集電極的結果。由於電子遷移率比空穴遷移率更高，因此現在使用的大多數雙極性晶體管為NPN型。

NPN型雙極性晶體管的電學符號，基極和發射極之間的箭頭指向發射極。

雙極性晶體管的另一種類型為PNP型，由兩層P型摻雜區域和介於二者之間的一層N型摻雜半導體組成。流經基極的微小電流可以在發射極端得到放大。也就是説，當PNP型晶體管的基極電壓低於發射極時，集電極電壓低於基極，晶體管處於正向放大區。

在雙極性晶體管電學符號中，基極和發射極之間的箭頭指向電流的方向，這裏的電流為電子流動的反方向。與NPN型相反，PNP型晶體管的箭頭從發射極指向基極 ^[3]  。

異質結雙極性晶體管（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。研究發現，這種晶體管可以處理頻率高達幾百GHz的超高頻信號，因此它適用於射頻功率放大、激光驅動等對工作速度要求苛刻的應用。

異質結是PN結的一種，這種結的兩端由不同的半導體材料製成。在這種雙極性晶體管中，發射結通常採用異質結結構，即發射極區域採用寬禁帶材料，基極區域採用窄禁帶材料。常見的異質結用砷化鎵（GaAs）製造基極區域，用鋁-鎵-砷固溶體（Al_xGa_1-xAs）製造發射極區域。採用這樣的異質結，雙極性晶體管的注入效率可以得到提升，電流增益也可以提高几個數量級。

採用異質結的雙極性晶體管基極區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，並有利於降低基極區域的寬度。在傳統的雙極性晶體管，即同質結晶體管中，發射極到基極的載流子注入效率主要是由發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，必須對基極區域進行輕摻雜，這樣就不可避免地使增大了基極電阻。

如左邊的示意圖6中，代表空穴從基極區域到達發射極區域跨越的勢差；而則代表電子從發射極區域到達基極區域跨越的勢差。由於發射結具有異質結的結構，可以使，從而提高了發射極的注入效率。在基極區域裏，半導體材料的組分分佈不均，造成緩變的基極區域禁帶寬度，其梯度為以表示。這一緩變禁帶寬度，可以為少數載流子提供一個內在電場，使它們加速通過基極區域。這個漂移運動將與擴散運動產生協同作用，減少電子通過基極區域的渡越時間，從而改善雙極性晶體管的高頻性能。 ^[4] 

儘管有許多不同的半導體可用來構成異質結晶體管，硅-鍺異質結晶體管和鋁-砷化鎵異質結晶體管更常用。製造異質結晶體管的工藝為晶體外延技術，例如金屬有機物氣相外延（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束外延。

眾所周知，按極性可以分為PNP和NPN兩種，按材料一般可以分為硅管和鍺管，按額定功率分為大功率和小功率，按封裝可以分為貼片和插件，等等。

車載電子系統中，常用的是小功率硅管，為減小體積多用貼片封裝。

集電極-發射極電流可以視為受基極-發射極電流的控制，這相當於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射結電壓的控制，即將它看做一種“電壓控制”的器件。事實上，這兩種思考方式可以通過基極-發射極結上的電流電壓關係相互關聯起來，而這種關係可以用PN結的電流-電壓曲線表示。

人們曾經建立過多種數學模型，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，可以利用電荷分佈來精確地解釋晶體管的行為。上述有關電荷控制的觀點可以處理有關光電二極管的問題，這種二極管基極區域的少數載流子是通過吸收光子（即上一段提到的光注入）產生的。電荷控制模型還能處理有關關斷、恢復時間等動態問題，這些問題都與基極區域電子和空穴的複合密切相關。然而，由於基極電荷並不能輕鬆地在基極引腳處觀察，因此，在實際的電路設計、分析中，電流、電壓控制的觀點應用更為普遍。

在模擬電路設計中，有時會採用電流控制的觀點，這是因為在一定範圍內，雙極性晶體管具有近似線性的特徵。在這個範圍（下文將提到，這個範圍叫做“放大區”）內，集電極電流近似等於基極電流的倍，這對人們分析問題、控制電路功能有極大的便利。在設計有的基本電路時，人們假定發射極-基極電壓為近似恆定值（如），這時集電極電流近似等於基極電流的若干倍，晶體管起電流放大作用。

然而，在真實的情況中，雙極性晶體管是一種較為複雜的非線性器件，如果偏置電壓分配不當，將使其輸出信號失真。此外，即使工作在特定範圍，其電流放大倍數也受到包括温度在內的因素影響。為了設計出精確、可靠的雙極性晶體管電路，必須採用電壓控制的觀點（例如後文將講述的艾伯斯-莫爾模型）。電壓控制模型引入了一個指數函數來描述電壓、電流關係，在一定範圍內，函數關係為近似線性，可以將晶體管視為一個電導元件。這樣，諸如差動放大器等電路的設計就簡化為了線性問題，所以近似的電壓控制觀點也常被選用。對於跨導線性（translinear）電路，研究其電流-電壓曲線對於分析器件工作十分關鍵，因此通常將它視為一個跨導與集電極電流成比例的電壓控制模型。

晶體管級別的電路設計主要使用SPICE或其他類似的模擬電路仿真器進行，因此對於設計者來説，模型的複雜程度並不會帶來太大的問題。但在以人工分析模擬電路的問題時，並不總能像處理經典的電路分析那樣採取精確計算的方法，因而採用近似的方法是十分必要的。

雙極性晶體管的最大集電極耗散功率是器件在一定温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，如果實際功率大於這一數值，晶體管的温度將超出最大許可值，使器件性能下降，甚至造成物理損壞。

當集電極電流增大到一定數值後，雖然不會造成雙極性晶體管的損壞，但是電流增益會明顯降低。為了使晶體管按照設計正常工作，需要限制集電極電流的數值。除此之外，由於雙極性晶體管具有兩個PN結，因此它們的反向偏置電壓不能夠過大，防止PN結反向擊穿。雙極性晶體管的數據手冊都會詳細地列出這些參數。

當功率雙極性晶體管集電極的反向偏置電壓超過一定數值，並且流經晶體管的電流超出在一定允許範圍之內，使得晶體管功率大於二次擊穿臨界功率就會產生一種被稱為“二次擊穿”的危險現象。在這種情況裏，超出設計範圍的電流將造成器件內部不同區域的局部温度不均衡，部分區域的温度高於其他區域。因為摻雜的硅具有負的温度係數（temperature coefficient），所以當它處於較高的温度時，其導電性能更強。這樣，較熱部分就能傳導更多的電流，這部分電流會產生額外的熱能，造成局部温度將超過正常值，以致於器件不能正常工作。二次擊穿是一種熱失控，一旦温度升高，電導率將進一步提升，從而造成惡性循環，最終嚴重損毀晶體管的結構。整個二次擊穿過程只需要毫秒或微秒量級的時間就可以完成。

如果雙極性晶體管發射結提供超出允許範圍的反向偏置，並不對流經晶體管的電流進行限制，發射結將發生雪崩擊穿，也會造成器件損壞。

作為一種模擬的器件，雙極性晶體管的所有參數都會不同程度地受温度影響，特別是電流增益。據研究，温度每升高1攝氏度，大約會增加0.5%到1%。

雙極性晶體管對電離輻射較為敏感。如果將晶體管置於電離輻射的環境中，器件將因輻射而受到損害。產生損害是因為輻射將在基極區域產生缺陷，這種缺陷將在能帶中形成複合中心（recombination centers）。這將造成器件中起作用的少數載流子壽命變短，進而使晶體管的性能逐漸降低。NPN型雙極性晶體管由於在輻射環境中，載流子的有效複合面積更大，受到的負面影響比PNP型晶體管更顯著。在一些特殊的應用場合，如核反應堆或航天器中的電子控制系統中，必須採用特殊的手段緩解電離輻射帶來的負面效應。

可以根據晶體管三個終端的的偏置狀態，可以定義雙極性晶體管幾個不同的工作區。在NPN型半導體中（注意：PNP型晶體管和NPN型晶體管的電壓描述恰好相反），按發射結、集電結的偏置情況，工作區可以分為為

正向放大區（或簡稱放大區）：當發射結正向偏置，集電結反向偏置時，晶體管工作在放大區。大多數雙極性晶體管的設計目標，是為了在正向放大區得到最大的共射極電流增益bf。晶體管工作在這一區域時，集電極-發射極電流與基極電流近似成線性關係。由於電流增益的緣故，當基極電流發生微小的擾動時，集電極-發射極電流將產生較為顯著變化。

反向放大區：如果把上述處於正向放大區晶體管發射極、集電極的偏置電壓互換，則雙極性晶體管將工作在反向放大區。在這種工作模式中，發射極和集電極區域扮演的角色與正向放大區里正好相反，但是由於晶體管集電極的摻雜濃度低於發射極，反向放大區產生的效果與正向放大區並不相同。大多數雙極性晶體管的設計目標是儘可能得到最大正向放大電流增益，因此，反向放大區中的電流增益會比正向放大區中小一些（在常規的鍺晶體管中大約是2-3倍）。實際上，這種工作模式幾乎不被採用，但是為了防止錯誤接法造成器件損壞或其他危險，設計時必須予以考慮。此外，有些類型的雙極性邏輯器件也會考慮反向放大區的情況。

飽和區：當雙極性晶體管中兩個PN結均處於正向偏置時，它將處於飽和區，這時，晶體管發射極到集電極的電流達到最大值，即使增加基極電流，輸出的電流也不會再增加。飽和區可以在邏輯器件中用來表示高電平。

截止區：如果雙極性晶體管兩個PN結的偏置情況與飽和區恰好相反，那麼晶體管將處於截止區。在這種工作模式下，輸出電流非常小（小功率的硅晶體管小於1微安，鍺晶體管小於即使微安），在數字邏輯中可以用來表示低電平。

雪崩擊穿：當施加在集電結上的反向偏置將超過集電結所能承受範圍時，這個PN結將被擊穿，若電流足夠大會造成器件損壞。

此外，分析、設計雙極性晶體管電路時，還應當注意不能超過雙極性晶體管的最大集電極耗散功率Pcm。如果晶體管的工作功率小於這一數值，這些工作狀態的集合稱為安全工作區。如果晶體管的工作功率超過這個限度，將造成器件温度超過正常範圍，器件的性能將產生較大的變化，甚至造成損壞。硅晶體管允許的結温度介於150攝氏度和200攝氏度之間。可以通過降低內熱阻、使用散熱片和引入風冷、水冷、油冷等措施來提高最大允許耗散功率。

實際上，上述工作區之間並沒有絕對的界限，在較小電壓變化（小於幾百毫伏）範圍內，上面提到的不同區域之間可能有一定的重疊 ^[5]  。