双极性晶体管

發展及應用

1947年12月，貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓以及東尼·思寧在威廉·肖克利的指導下共同發明了點接觸形式的雙極性電晶體。1948年，肖克利發明了採用接面型構造的雙極性電晶體。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積體電路的不二選擇。
早期的電晶體是由鍺製造的。在1950年代和1960年代，鍺電晶體的使用多於矽電晶體。矽電晶體截止電壓通常為0.5至 1V，鍺電晶體的截止電壓更小，通常約0.2V，這使得鍺電晶體適用於某些應用場合例如高靈敏度的設備。在電晶體的早期歷史中，曾有多種雙極性電晶體的製造方法被開發出來。
鍺電晶體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，如果要穩定工作，則對其工作溫度的要求相對矽半導體更嚴，因此大多數現代的雙極性電晶體是由矽製造的。採用矽的另外一個原因是容易形成穩定的二氧化矽，二氧化矽與其他金屬之間的粘性也大，容易製作電子器件。
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電晶體。砷化鎵的電子移動率為矽的5倍，用它製造的電晶體能夠達到較高的工作頻率。此外，砷化鎵熱導率較低，有利於高溫下進行的加工。化合物電晶體通常可以應用於高速器件。
雙極性電晶體能夠提供訊號放大，它在功率控制、類比訊號處理等領域有所應用。此外，由於基極-射極偏壓電壓與溫度、電流的關係已知，雙極性電晶體還可以被用來測量溫度。根據基極-射極電壓與基極-射極和集極-射極電流的對數關係，雙極性電晶體也能被用來計算對數或求自然對數的冪指數。
隨著人們對於能源問題的認識不斷加深，場效應管（例如互補式金屬氧化物半導體）技術憑藉更低的功耗，在數位積體電路中逐漸成為主流，雙極性電晶體在積體電路中的使用由此逐漸變少。但是應當看到，即使在現代的積體電路中，雙極性電晶體依然是一種重要的器件，市場上仍有大量種類齊全、價格低廉的電晶體產品可供選擇。與金屬氧化物半導體場效應電晶體相比，雙極性電晶體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，雙極性電晶體依舊是組成類比電路，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。雙極性電晶體可以通過BiCMOS技術與和MOSFET製作在一塊積體電路上，這樣就可以充分利用兩者的優點（如雙極性電晶體的電流放大能力和場效應管的低功耗特點）。

基本原理

NPN型雙極性電晶體可以視為共用陽極的兩個二極體接合在一起。在雙極性電晶體的正常工作狀態下，射極接面（基極與射極之間的PN接面）處於順向偏壓狀態，而集極接面（基極與集極之間的PN接面）則處於逆向偏壓狀態。在沒有外加電壓時，射極接面N區的電子（該區域的多數載子）濃度大於P區的電子濃度，部分電子將擴散到P區。同理，P區的部分電洞也將擴散到N區。這樣，射極接面上將形成一個空間電荷區（也稱為空乏層），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，如果把一個順向電壓施加在射極接面上，上述載子擴散運動和空乏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型電晶體里，基區為P型摻雜，這裡電洞為多數摻雜物質，而電子則為少數載子。
從射極被注入到基極區域的電子，一方面與這裡的多數載子電洞發生複合，另一方面，由於基極區域摻雜程度低、物理尺寸薄，並且集極接面處於逆向偏壓狀態，大部分電子將通過漂移運動抵達集極區域，形成集極電流。為了儘量緩解電子在到達集極接面之前發生的複合，電晶體的基極區域的厚度必須遠小於電子的擴散長度（diffusion length，參見菲克定律），使得載子擴散所需的時間短於半導體少數載子的壽命。在現代的雙極性電晶體中，基極區域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集極、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，因此必須將雙極性電晶體與兩個相反方向二極體串聯在一起的形式區分開來。

分析方法

集極-射極電流可以視為受基極-射極電流的控制，這相當於將雙極性電晶體視為一種「電流控制」的器件。還可以將它看作是受射極接面電壓的控制，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-射極接面上的電流電壓關係相互關聯起來，而這種關係可以用PN接面的電流-電壓曲線表示。
從基極區域的少數載子濃度出發，可以解釋集極的載子流動。如果雙極性電晶體為小注入，即通過某些物理過程（如光注入或電注入）引入的非平衡載子（excess carrier，或稱「過剩載子」）比熱平衡時的多數載子少得多，雙極性擴散（即非平衡多數載子和少數載子以相同速率流動）速率實際上由非平衡少數載子決定。另外，雙極性電晶體處理高頻訊號的能力還受限於基極區域載子的渡越時間。
人們曾經建立過多種數學模型，用來描述雙極性電晶體的具體工作原理。例如，古梅爾–潘模型（Gummel–Poon Model）提出，可以利用電荷分布來精確地解釋電晶體的行為。上述有關電荷控制的觀點可以處理有關光電二極體的問題，這種二極體基極區域的少數載子是通過吸收光子（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電洞的複合密切相關。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。
在類比電路設計中，有時會採用電流控制的觀點，這是因為在一定範圍內，雙極性電晶體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「主動區」）內，集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，人們假定射極-基極電壓為近似恆定值（如），這時集極電流近似等於基極電流的若干倍，電晶體起電流放大作用。
然而，在真實的情況中，雙極性電晶體是一種較為複雜的非線性器件，如果偏壓電壓分配不當，將使其輸出訊號失真。此外，即使工作在特定範圍，其電流放大倍數也受到包括溫度在內的因素影響。為了設計出精確、可靠的雙極性電晶體電路，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，可以將電晶體視為一個電導元件。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極電流成比例的電壓控制模型。
目前，電晶體級別的電路設計主要使用SPICE或其他類似的類比電路仿真器進行，因此對於設計者來說，模型的複雜程度並不會帶來太大的問題。但在以人工分析類比電路的問題時，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。

功率參數

雙極性電晶體的最大集極耗散功率是器件在一定溫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，電晶體的溫度將超出最大許可值，使器件性能下降，甚至造成物理損壞。

極限電流和極限電壓

當集極電流增大到一定數值後，雖然不會造成雙極性電晶體的損壞，但是電流增益會明顯降低。為了使電晶體按照設計正常工作，需要限制集極電流的數值。除此之外，由於雙極性電晶體具有兩個PN接面，因此它們的逆向偏壓電壓不能夠過大，防止PN接面逆向擊穿。雙極性電晶體的數據手冊都會詳細地列出這些參數。
當功率雙極性電晶體集極的逆向偏壓電壓超過一定數值，並且流經電晶體的電流超出在一定允許範圍之內，使得電晶體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。在這種情況里，超出設計範圍的電流將造成器件內部不同區域的局部溫度不均衡，部分區域的溫度高於其他區域。因為摻雜的矽具有負的溫度係數（temperature coefficient），所以當它處於較高的溫度時，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，造成局部溫度將超過正常值，以致於器件不能正常工作。二次擊穿是一種熱失控，一旦溫度升高，電導率將進一步提升，從而造成惡性循環，最終嚴重損毀電晶體的結構。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。
如果雙極性電晶體集極接面提供超出允許範圍的逆向偏壓，並不對流經電晶體的電流進行限制，射極接面將發生突崩潰，也會造成器件損壞。

溫度漂移

作為一種類比的器件，雙極性電晶體的所有參數都會不同程度地受溫度影響，特別是電流增益。據研究，溫度每升高1攝氏度，大約會增加0.5%到1%。

抗輻射能力

雙極性電晶體對電離輻射較為敏感。如果將電晶體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子壽命變短，進而使電晶體的性能逐漸降低。NPN型雙極性電晶體由於在輻射環境中，載子的有效複合面積更大，受到的負面影響比PNP型電晶體更顯著。在一些特殊的應用場合，如核反應爐或太空飛行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。

結構

一個雙極性電晶體由三個不同的摻雜半導體區域組成，它們分別是射極區域、基極區域和集極區域。這些區域在NPN型電晶體中分別是N型、P型和N型半導體，而在PNP型電晶體中則分別是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來表示射極（Emitter）、基極（Base）和集極（Collector）。
基極的物理位置在射極和集極之間，它由輕摻雜、高電阻率的材料製成。集極包圍著基極區域，由於集極接面逆向偏壓，電子很難從這裡被注入到基極區域，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。從右邊的典型NPN型雙極性電晶體的截面簡圖可以看出，集極接面的面積大於射極接面。此外，射極具有相當高的摻雜濃度。
在通常情況下，雙極性電晶體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電晶體位於順向主動區，如果此時將電晶體集極和射極在電路中的連接互換，將使電晶體離開順向主動區，進入逆向工作區。電晶體的內部結構決定了它適合在順向主動區工作，所以逆向工作區的共基極電流增益和共射極電流增益比電晶體位於順向主動區時小得多。這種功能上的不對稱，根本上是緣於射極和集極的摻雜程度不同。因此，在NPN型電晶體中，儘管集極和射極都為N型摻雜，但是二者的電學性質和功能完全不能互換。射極區域的摻雜程度最高，集極區域次之，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，並且集極面積大於射極面積。由於雙極性電晶體具有這樣的物質結構，因此可以為集極接面提供一個逆向偏壓，不過這樣做的前提是這個逆向偏壓不能過大，以致於電晶體損壞。對射極進行重摻雜的目的是為了增加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。
在雙極性電晶體的共射極接法裡，施加於基極、射極兩端電壓的微小變化，都會造成射極和集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。把雙極性電晶體的基極當做輸入端，集極當做輸出端，可以利用戴維南定理分析這個二埠網絡。利用等效的原理，可以將雙極性電晶體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，從二埠網絡的左邊看進去，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。

NPN型

NPN型電晶體是兩種類型雙極性電晶體的其中一種，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，產生較大的集極-射極電流。當NPN型電晶體基極電壓高於射極電壓，並且集極電壓高於基極電壓，則電晶體處於順向放大狀態。在這一狀態中，電晶體集極和射極之間存在電流。被放大的電流，是射極注入到基極區域的電子（在基極區域為少數載子），在電場的推動下漂移到集極的結果。由於電子移動率比電洞遷移率更高，因此現在使用的大多數雙極性電晶體為NPN型。
雙極性電晶體的電學符號如左圖，基極和射極之間的箭頭表示射極電流方向。

PNP型

雙極性電晶體的另一種類型為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射極端得到放大。也就是說，當PNP型電晶體的基極電壓低於射極時，集極電壓低於基極，電晶體處於順向主動區。
在雙極性電晶體電學符號中，基極和射極之間的箭頭指向電流的方向，這裡的電流為電子流動的反方向。與NPN型相反，PNP型電晶體的箭頭從射極指向基極。

異質接面雙極性電晶體

異質接面雙極性電晶體（heterojunction bipolar transistor）是一種改良的雙極性電晶體，它具有高速工作的能力。研究發現，這種電晶體可以處理頻率高達幾百GHz的超高頻訊號，因此它適用於射頻功率放大、雷射驅動等對工作速度要求苛刻的應用。
異質接面是PN接面的一種，這種結的兩端由不同的半導體材料製成。在這種雙極性電晶體中，射極接面通常採用異質接面結構，即射極區域採用寬禁帶材料，基極區域採用窄禁帶材料。常見的異質接面用砷化鎵（GaAs）製造基極區域，用鋁-鎵-砷固溶體（AlₓGa₁₋ₓAs）製造射極區域。採用這樣的異質接面，雙極性電晶體的注入效率可以得到提升，電流增益也可以提高幾個數量級。
採用異質接面的雙極性電晶體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。在傳統的雙極性電晶體，即同質結電晶體中，射極到基極的載子注入效率主要是由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。
如左邊的示意圖中，代表電洞從基極區域到達射極區域跨越的勢差；而則代表電子從射極區域到達基極區域跨越的勢差。由於射極接面具有異質接面的結構，可以使，從而提高了射極的注入效率。在基極區域裡，半導體材料的組分分布不均，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，從而改善雙極性電晶體的高頻性能。
儘管有許多不同的半導體可用來構成異質接面電晶體，矽-鍺異質接面電晶體和鋁-砷化鎵異質接面電晶體更常用。製造異質接面電晶體的製程為晶體磊晶技術，例如金屬有機物氣相磊晶（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束磊晶。

處於主動區的雙極性電晶體

左邊這幅示意圖，繪出了一個由兩個電壓源提供偏壓的NPN型電晶體，圖中箭頭代表電流的方向（電子流動的反方向）。為了使電晶體能夠在集極和射極之間傳導較大的電流（大約1毫安的數量級），必須超過某個的最小值，使電晶體被導通，這個最小值常被稱為「導通電壓」。在室溫下，矽雙極性電晶體的導通電壓通常為650毫伏左右，不過這項參數也隨著電晶體的具體類型變化。偏壓電壓使圖中下方的PN接面被導通，電子能夠從射極擴散到基極。當電晶體處於主動區，基極和集極之間的電場（源於）可以使大部分擴散到基極的電子繼續通過圖中上方的PN接面（射極接面），以漂移作用進入集極，這樣就形成了集極電流。剩餘的電子與基極區域的多數載子（即電洞）發生複合，從而形成基極電流。可以看出，射極電流是流經電晶體的總電流，它是基極、集極輸入電流的總和，即。
電晶體工作在主動區時，集極電流與基極電流的比值被稱為直流電流增益。直流電流增益的數值可以隨溫度變化，不過在有的電路設計中，並不需要依賴其精確值（請參見運算放大器的例子）。直流電流增益以參數表示，而交流訊號增益則以表示（參見後面的h參數模型）。如果沒有特別考慮在不同頻率下的電流增益，即電流變化不太大的時候，常用符號來代表電流增益。
另外值得注意的是，射極電流與成指數關係。在放大器，基極電流與集極電流近似成線性關係，所以二者的變化趨勢相同。
PNP型雙極性電晶體的情況與NPN型電晶體類似，不過分析時應注意，其相應的電壓值恰好相反。

理論模型

下面的將以NPN型雙極性電晶體為例進行探討，PNP型電晶體的原理類似。當NPN型電晶體處於順向主動區時，它的基極-射極電壓、集極-基極電壓均為正值，即射極接面為順向偏壓，集極接面為逆向偏壓。在主動區內，電子從N型摻雜的射極區域被注入到P型的基極區域。在基極，電子一方面漂移到到N型摻雜的集極，一方面與基極區域的多數載子電洞發生複合。

古梅爾-潘電荷控制模型

古梅爾-潘模型是一種詳細描述雙極性電晶體動力學的電荷控制模型，藉助這個模型，可以比通常的基於終端（terminal-based）模型更為詳細地探究電晶體的內部動力原理。該模型還指出，電晶體的參數與流經電晶體的直流電流有關，而該參數在艾伯斯-莫爾模型中曾被認為是與電流無關。
古梅爾-潘模型包含的參數相當多，它的直流模型包括多達18個參數，並且參數之間常常具有非線性的關係，因此研究中常常需要藉助計算機。