标题：双极性电晶体
发展及应用
1947年12月，贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布喇顿在威廉·肖克利的指导下共同发明了点接触形式的双极性电晶体。1948年，肖克利发明了采用接面型构造的双极性电晶体。在其後的大约三十年时间内，这种器件是制造分立元件电路和积体电路的不二选择。
早期的电晶体是由锗制造的。在1950年代和1960年代，锗电晶体的使用多於矽电晶体。相对於矽电晶体，锗电晶体的截止电压更小，通常约0.2伏特，这使得锗电晶体适用於某些应用场合。在电晶体的早期历史中，曾有多种双极性电晶体的制造方法被开发出来。
锗电晶体的一个主要缺点是它容易产生热失控。由於锗的禁带宽度较窄，如果要稳定工作，则对其工作温度的要求相对矽半导体更严，因此大多数现代的双极性电晶体是由矽制造的。采用矽材料的另一个重要原因是矽在地球上的储量比锗丰富得多（仅次於氧）。
後来，人们也开始使用以砷化镓为代表的化合物来制造半导体电晶体。砷化镓的电子迁移率为矽的5倍，用它制造的电晶体能够达到较高的工作频率。此外，砷化镓热导率较低，有利於高温下进行的加工。化合物电晶体通常可以应用於高速器件。
双极性电晶体能够提供讯号放大，它在功率控制、类比讯号处理等领域有所应用。此外，由於基极接面-射极偏压电压与温度、电流的关系已知，双极性电晶体还可以被用来测量温度。根据基极接面-射极电压与基极接面-射极和集极-射极电流的对数关系，双极性电晶体也能被用来计算对数或求自然对数的幂指数。
随著人们对於能源问题的认识不断加深，场效应管（如CMOS）技术凭藉更低的功耗，在数位积体电路中逐渐成为主流，双极性电晶体在积体电路中的使用由此逐渐变少但是应当看到，即使在现代的积体电路中，双极性电晶体依然是一种重要的器件，市场上仍有大量种类齐全、价格低廉的电晶体产品可供选择。与金属氧化物半导体场效应电晶体（MOSFET，它是场效应管的一种，另一种为接面场效电晶体）相比，双极性电晶体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。因此，双极性电晶体依旧是组成类比电路，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。双极性电晶体可以通过BiCMOS技术与和MOSFET制作在一块积体电路上，这样就可以充分利用两者的优点（如双极性电晶体的电流放大能力和场效应管的低功耗特点）。
基本原理
NPN型双极性电晶体可以视为共用阳极的两个二极体接合在一起。在双极性电晶体的正常工作状态下，  基极接面-射极接面（称这个PN接面为「射极接面」）处於顺向偏压状态，而基极接面-集极（称这个PN接面为「集极接面」）则处於逆向偏压状态。在没有外加电压时，射极接面N区的电子（这一区域的多数载子）浓度大於P区的电子浓度，部分电子将扩散到P区。同理，P区的部分电洞也将扩散到N区。这样，射极接面上将形成一个空间电荷区（也称为空乏层），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。这时，如果把一个顺向电压施加在射极接面上，上述载子扩散运动和空乏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接面区域。在NPN型电晶体里，基区为P型掺杂，这里电洞为多数掺杂物质，因此在这区域电子被称为「少数载子」。
从射极被注入到基极接面区域的电子，一方面与这里的多数载子电洞发生复合，另一方面，由於基极接面区域掺杂程度低、物理尺寸薄，并且集极接面处於逆向偏压状态，大部分电子将通过漂移运动抵达集极区域，形成集极电流。为了尽量缓解电子在到达集极接面之前发生的复合，电晶体的基极接面区域必须制造得足够薄，以至於载子扩散所需的时间短於半导体少数载子的寿命，同时，基极接面的厚度必须远小於电子的扩散长度（diffusion length，参见菲克定律）。在现代的双极性电晶体中，基极接面区域厚度的典型值为十分之几微米。需要注意的是，集极、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，因此必须将双极性电晶体与两个相反方向二极体串联在一起的形式区分开来。
分析方法
集极-射极电流可以视为受基极接面-射极电流的控制，这相当於将双极性电晶体视为一种「电流控制」的器件。还可以将它看作是受射极接面电压的控制，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接面-射极接面上的电流电压关系相互关联起来，而这种关系可以用PN接面的电流-电压曲线表示。
从基极接面区域的少数载子浓度出发，可以解释集极的载子流动。如果双极性电晶体为小注入（low level injection），即通过某些物理过程（如光注入或电注入）引入的非平衡载子（excess carrier，或称「过剩载子」）比热平衡时的多数载子少得多，双极性扩散（即非平衡多数载子和少数载子以相同速率流动）速率实际上由非平衡少数载子决定。另外，双极性电晶体处理高频讯号的能力还受限於基极接面区域载子的渡越时间。
人们曾经建立过多种数学模型，用来描述双极性电晶体的具体工作原理。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电晶体的行为。上述有关电荷控制的观点可以处理有关光电二极体的问题，这种二极体基极接面区域的少数载子是通过吸收光子（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，这些问题都与基极接面区域电子和电洞的复合密切相关。然而，由於基极接面电荷并不能轻松地在基极接面引脚处观察，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。
在类比电路设计中，有时会采用电流控制的观点，这是因为在一定范围内，双极性电晶体具有近似线性的特徵。在这个范围（下文将提到，这个范围叫做「主动区」）内，集极电流近似等於基极接面电流的BF倍，这对人们分析问题、控制电路功能有极大的便利。在设计有的基本电路时，人们假定射极-基极接面电压为近似恒定值，这时集极电流近似等於基极接面电流的若干倍，电晶体起电流放大作用。
然而，在真实的情况中，双极性电晶体是一种较为复杂的非线性器件，如果偏压电压分配不当，将使其输出讯号失真。此外，即使工作在特定范围，其电流放大倍数也受到包括温度在内的因素影响。为了设计出精确、可靠的双极性电晶体电路，必须采用电压控制的观点（例如後文将讲述的艾伯斯-莫尔模型）。电压控制模型引入了一个指数函数来描述电压、电流关系，在一定范围内，函数关系为近似线性，可以将电晶体视为一个电导元件。这样，诸如差动放大器等电路的设计就简化为了线性问题，所以近似的电压控制观点也常被选用。对於跨导线性（translinear）电路，研究其电流-电压曲线对於分析器件工作十分关键，因此通常将它视为一个跨导与集极电流成比例的电压控制模型。
目前，电晶体级别的电路设计主要使用SPICE或其他类似的类比电路模拟器进行，因此对於设计者来说，模型的复杂程度并不会带来太大的问题。但在以人工分析类比电路的问题时，并不总能像处理经典的电路分析那样采取精确计算的方法，因而采用近似的方法是十分必要的。
结构
一个双极性电晶体由三个不同的掺杂半导体区域组成，它们分别是射极区域、基极接面区域和集极区域。这些区域在NPN型电晶体中分别是N型、P型和N型半导体，而在PNP型电晶体中则分别是P型、N型和P型半导体。每一个半导体区域都有一个引脚端接出，通常用字母E、B和C来表示射极（Emitter）、基极接面（Base）和集极（Collector）。
基极接面的物理位置在射极和集极之间，它由轻掺杂、高电阻率的材料制成。集极包围著基极接面区域，  由於集极接面逆向偏压，电子很难从这里被注入到基极接面区域，这样就造成共基极接面电流增益约等於1，而共射极电流增益取得较大的数值。从右边这个典型NPN型双极性电晶体的截面简图可以看出，集极接面的面积大於射极接面。此外，射极具有相当高的掺杂浓度。
在通常情况下，双极性电晶体的几个区域在物理性质、几何尺寸上并不对称。假设连接在电路中的电晶体位於顺向主动区，如果此时将电晶体集极和射极在电路中的连接互换，将使电晶体离开顺向主动区，进入逆向工作区。电晶体的内部结构决定了它适合在顺向主动区工作，所以逆向工作区的共基极接面电流增益和共射极电流增益比电晶体位於顺向主动区时小得多。这种功能上的不对称，根本上是缘於射极和集极的掺杂程度不同。因此，在NPN型电晶体中，尽管集极和射极都为N型掺杂，但是二者的电学性质和功能完全不能互换。射极区域的掺杂程度最高，集极区域次之，基极接面区域掺杂程度最低。此外，三个区域的物理尺度也有所不同，其中基极接面区域很薄，并且集极面积大於射极面积。由於双极性电晶体具有这样的物质结构，因此可以为集极接面提供一个逆向偏压，不过这样做的前提是这个逆向偏压不能过大，以致於电晶体损坏。对射极进行重掺杂的目的是为了增加射极电子注入到基极接面区域的效率，从而实现尽量高的电流增益。NPN型NPN型电晶体是两种类型双极性电晶体的其中一种，由两层N型掺杂区域和介於二者之间的一层P型掺杂  半导体（基极接面）组成。输入到基极接面的微小电流将被放大，产生较大的集极-射极电流。当NPN型电晶体基极接面电压高於射极电压，并且集极电压高於基极接面电压，则电晶体处於顺向放大状态。在这一状态中，电晶体集极和射极之间存在电流。被放大的电流，是射极注入到基极接面区域的电子（在基极接面区域为少数载子），在电场的推动下漂移到集极的结果。由於电子迁移率比电洞迁移率更高，因此现在使用的大多数双极性电晶体为NPN型。
NPN型双极性电晶体的电学符号如右图，基极接面和射极之间的箭头指向射极。PNP型双极性电晶体的另一种类型为PNP型，由两层P型掺杂区域和介於二者之间的一层N型掺杂半导体组成。  流经基极接面的微小电流可以在射极端得到放大。也就是说，当PNP型电晶体的基极接面电压低於射极时，集极电压低於基极接面，电晶体处於顺向主动区。
在双极性电晶体电学符号中，基极接面和射极之间的箭头指向电流的方向，这里的电流为电子流动的反方向。与NPN型相反，PNP型电晶体的箭头从射极指向基极接面。