雙極性電晶體

雙極性電晶體（英語：bipolar transistor），全稱雙極性接面型電晶體（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極體，是一種具有三個終端的電子器件。

基本介紹

• 中文名：雙極性電晶體
• 外文名：bipolar transistor
• 全稱：雙極性接面型電晶體
• 俗稱：三極體
• 發明者：威廉·肖克利、約翰·巴丁等
• 組成：三部分

簡介

雙極性電晶體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。

這種電晶體的工作，同時涉及電子和電洞兩種載子的流動，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載子電晶體。這種工作方式與諸如場效應管的單極性電晶體不同，後者的工作方式僅涉及單一種類載子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區域之間的邊界由PN接面形成。

雙極性電晶體由三部分摻雜程度不同的半導體製成，電晶體中的電荷流動主要是由於載子在PN接面處的擴散作用和漂移運動。以NPN電晶體為例，按照設計，高摻雜的射極區域的電子，通過擴散作用運動到基極接面。在基極接面區域，電洞為多數載子，而電子少數載子。由於基極接面區域很薄，這些電子又通過漂移運動到達集極，從而形成集極電流，因此雙極性電晶體被歸到少數載子設備。

雙極性電晶體能夠放大訊號，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，並被廣泛地套用於航空太空工程、醫療器械和機器人等套用產品中

發展及套用

1947年12月，貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·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。相對於矽電晶體，鍺電晶體的截止電壓更小，通常約0.2伏特，這使得鍺電晶體適用於某些套用場合。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。由於鍺的禁頻寬度較窄，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。採用矽材料的另一個重要原因是矽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電晶體。砷化鎵的電子遷移率為矽的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套用於高速器件。

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套用。此外，由於基極接面-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。根據基極接面-射極電壓與基極接面-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（如CMOS）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（MOSFET，它是場效應管的一種，另一種為接面場效電晶體）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，尤其是甚高頻套用電路（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，基極接面-射極接面（稱這個PN接面為「射極接面」）處於順向偏壓狀態，而基極接面-集極（稱這個PN接面為「集極接面」）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（這一區域的多數載子）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接面區域。在NPN型電晶體裡，基區為P型摻雜，這裡電洞為多數摻雜物質，因此在這區域電子被稱為「少數載子」。

從射極被注入到基極接面區域的電子，一方面與這裡的多數載子電洞發生複合，另一方面，由於基極接面區域摻雜程度低、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，電晶體的基極接面區域必須製造得足夠薄，以至於載子擴散所需的時間短於半導體少數載子的壽命，同時，基極接面的厚度必須遠小於電子的擴散長度（diffusion length，參見菲克定律）。在現代的雙極性電晶體中，基極接面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接面-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接面-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。

從基極接面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（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接面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，這種二極體基極接面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，這些問題都與基極接面區域電子和電洞的複合密切相關。然而，由於基極接面電荷並不能輕鬆地在基極接面引腳處觀察，因此，在實際的電路設計、分析中，電流、電壓控制的觀點套用更為普遍。

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接面電流的BF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-基極接面電壓為近似恆定值，這時集極電流近似等於基極接面電流的若干倍，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式來描述電壓、電流關係，在一定範圍內，函式關係為近似線性，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模擬器進行，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。

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、基極接面區域和集極區域。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）、基極接面（Base）和集極（Collector）。

基極接面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。集極包圍著基極接面區域，由於集極接面逆向偏壓，電子很難從這裡被注入到基極接面區域，這樣就造成共基極接面電流增益約等於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。假設連線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線互換，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接面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，基極接面區域摻雜程度最低。此外，三個區域的物理尺度也有所不同，其中基極接面區域很薄，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接面區域的效率，從而實現儘量高的電流增益。

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（基極接面）組成。輸入到基極接面的微小電流將被放大，產生較大的集極-射極電流。當NPN型電晶體基極接面電壓高於射極電壓，並且集極電壓高於基極接面電壓，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，是射極注入到基極接面區域的電子（在基極接面區域為少數載子），在電場的推動下漂移到集極的結果。由於電子遷移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。

NPN型雙極性電晶體的電學符號如右圖，基極接面和射極之間的箭頭指向射極。

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。流經基極接面的微小電流可以在射極端得到放大。也就是說，當PNP型電晶體的基極接面電壓低於射極時，集極電壓低於基極接面，電晶體處於順向主動區。

在雙極性電晶體電學符號中，基極接面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接面。