雙極性晶體管工作原理

　　什么是雙極性晶體管

　　雙極性晶體管（英語：bipolar transistor），全稱雙極性結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor， BJT），俗稱三極管，是一種具有三個(gè)終端的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導(dǎo)體制成，晶體管中的電荷流動(dòng)主要是由于載流子在PN結(jié)處的擴(kuò)散作用和漂移運(yùn)動(dòng)。

　　這種晶體管的工作，同時(shí)涉及電子和空穴兩種載流子的流動(dòng)，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(yīng)管的單極性晶體管不同，后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(qū)域之間的邊界由PN結(jié)形成。

　　雙極性晶體管能夠放大信號(hào)，并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(gòu)成放大器電路，或驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，并被廣泛地應(yīng)用于航空航天工程、醫(yī)療器械和機(jī)器人等應(yīng)用產(chǎn)品中。

　　雙極性晶體管工作原理

　　NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽極的兩個(gè)二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態(tài)下，基極-發(fā)射極結(jié)（稱這個(gè)PN結(jié)為“發(fā)射結(jié)”）處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極（稱這個(gè)PN結(jié)為“集電結(jié)”）則處于反向偏置狀態(tài)。在沒有外加電壓時(shí)，發(fā)射結(jié)N區(qū)的電子（這一區(qū)域的多數(shù)載流子）濃度大于P區(qū)的電子濃度，部分電子將擴(kuò)散到P區(qū)。同理，P區(qū)的部分空穴也將擴(kuò)散到N區(qū)。這樣，發(fā)射結(jié)上將形成一個(gè)空間電荷區(qū)（也成為耗盡層），產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)在的電場，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個(gè)電場將阻礙上述擴(kuò)散過程的進(jìn)一步發(fā)生，從而達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，如果把一個(gè)正向電壓施加在發(fā)射結(jié)上，上述載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和耗盡層中內(nèi)在電場之間的動(dòng)態(tài)平衡將被打破，這樣會(huì)使熱激發(fā)電子注入基極區(qū)域。在NPN型晶體管里，基區(qū)為P型摻雜，這里空穴為多數(shù)摻雜物質(zhì)，因此在這區(qū)域電子被稱為“少數(shù)載流子”。

　　從發(fā)射極被注入到基極區(qū)域的電子，一方面與這里的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復(fù)合，另一方面，由于基極區(qū)域摻雜程度低、物理尺寸薄，并且集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，大部分電子將通過漂移運(yùn)動(dòng)抵達(dá)集電極區(qū)域，形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達(dá)集電結(jié)之前發(fā)生的復(fù)合，晶體管的基極區(qū)域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴(kuò)散所需的時(shí)間短于半導(dǎo)體少數(shù)載流子的壽命，同時(shí)，基極的厚度必須遠(yuǎn)小于電子的擴(kuò)散長度（diffusion length，參見菲克定律）。在現(xiàn)代的雙極性晶體管中，基極區(qū)域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集電極、發(fā)射極雖然都是N型摻雜，但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同，因此必須將雙極性晶體管與兩個(gè)相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區(qū)分開來。

　　雙極性晶體管發(fā)展應(yīng)用

　　1947年12月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁、沃爾特·豪澤·布喇頓在威廉·肖克利的指導(dǎo)下共同發(fā)明了點(diǎn)接觸形式的雙極性晶體管。1948年，肖克利發(fā)明了采用結(jié)型構(gòu)造的雙極性晶體管。在其后的大約三十年時(shí)間內(nèi)，這種器件是制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制造的。在1950年代和1960年代，鍺晶體管的使用多于硅晶體管。相對(duì)于硅晶體管，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于某些應(yīng)用場合。在晶體管的早期歷史中，曾有多種雙極性晶體管的制造方法被開發(fā)出來。

　　鍺晶體管的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它容易產(chǎn)生熱失控。由于鍺的禁帶寬度較窄，并且要穩(wěn)定工作則要求的溫度相對(duì)硅半導(dǎo)體更嚴(yán)，因此大多數(shù)現(xiàn)代的雙極性晶體管是由硅制造的。采用硅材料的另一個(gè)重要原因是硅在地球上的儲(chǔ)量比鍺豐富得多（僅次于氧）。

　　后來，人們也開始使用以砷化鎵為代表的化合物來制造半導(dǎo)體晶體管。砷化鎵的電子遷移率為硅的5倍，用它制造的晶體管能夠達(dá)到較高的工作頻率。此外，砷化鎵熱導(dǎo)率較低，有利于高溫下進(jìn)行的加工?；衔锞w管通常可以應(yīng)用于高速器件。

　　雙極性晶體管能夠提供信號(hào)放大，它在功率控制、模擬信號(hào)處理等領(lǐng)域有所應(yīng)用。此外，由于基極-發(fā)射極偏置電壓與溫度、電流的關(guān)系已知，雙極性晶體管還可以被用來測(cè)量溫度。根據(jù)基極-發(fā)射極電壓與基極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極電流的對(duì)數(shù)關(guān)系，雙極性晶體管也能被用來計(jì)算對(duì)數(shù)或求自然對(duì)數(shù)的冪指數(shù)。

　　隨著人們對(duì)于能源問題的認(rèn)識(shí)不斷加深，場效應(yīng)管（如CMOS）技術(shù)憑借更低的功耗，在數(shù)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(yīng)當(dāng)看到，即使在現(xiàn)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(jià)格低廉的晶體管產(chǎn)品可供選擇。與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET，它是場效應(yīng)管的一種，另一種為結(jié)型場效應(yīng)管）相比，雙極性晶體管能提供較高的跨導(dǎo)和輸出電阻，并具有高速、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(yīng)用電路（如無線通信系統(tǒng)中的射頻電路）的重要配件。雙極性晶體管可以通過BiCMOS技術(shù)與和MOSFET制作在一塊集成電路上，這樣就可以充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)（如雙極性晶體管的電流放大能力和場效應(yīng)管的低功耗特點(diǎn)）