雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT）又稱為半導(dǎo)體三極管，它是通過一定的工藝將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu)。

雙極結(jié)型晶體管，外部引出三個(gè)極：集電極，發(fā)射極和基極，集電極從集電區(qū)引出，發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出，基極從基區(qū)引出（基區(qū)在中間）；BJT有放大作用，主要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸?shù)竭_(dá)集電區(qū)而實(shí)現(xiàn)的，為了保證這一傳輸過程，一方面要滿足內(nèi)部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時(shí)基區(qū)厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結(jié)要正向偏置（加正向電壓）、集電結(jié)要反偏置；BJT種類很多，按照頻率分，有高頻管，低頻管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半導(dǎo)體材料分，有硅管和鍺管等；其構(gòu)成的放大電路形式有：共發(fā)射極、共基極和共集電極放大電路。

BJT與一般的晶體三極管有相似的結(jié)構(gòu)、工作原理。BJT由一片半導(dǎo)體上的兩個(gè)pn結(jié)組成，可以分為PNP或NPN型兩種結(jié)構(gòu)，圖1中給出了兩種BJT的符號以及其三個(gè)輸出端子的定義。

圖1 NPN型和PNP型雙極晶體管的符號

為電力半導(dǎo)體器件，BJT大多采用NPN型結(jié)構(gòu)。BJT的三層兩結(jié)結(jié)構(gòu)并非由單純的電路連接形成，而需較復(fù)雜的工藝制作過程。大多數(shù)雙極型功率晶體管是在重?fù)诫s的N+硅襯底上，用外延生長法在N+上生長一層N-漂移層，然后在漂移層上擴(kuò)散P基區(qū)，接著擴(kuò)散N+發(fā)射區(qū)，因此稱之為三重?cái)U(kuò)散。基極與發(fā)射極在一個(gè)平面上做成叉指型以減少電流集中和提高器件電流處理能力。三重?cái)U(kuò)散臺面型NPN型BJT的結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖2所示。圖中摻雜濃度高的N+區(qū)稱為BJT的發(fā)射區(qū)，其作用是向基區(qū)注入載流子?；鶇^(qū)是一個(gè)厚度為幾μm至幾十μm之間的P型半導(dǎo)體薄層，它的任務(wù)是傳送和控制載流子。集電區(qū)則是收集載流子的N型半導(dǎo)體層，常在集電區(qū)中設(shè)置輕摻雜的N-區(qū)以提高器件的耐壓能力。不同類型半導(dǎo)體區(qū)的交界處則形成PN結(jié)，發(fā)射區(qū)與基區(qū)交界處的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)（J1），集電區(qū)與基區(qū)交界處的PN 結(jié)稱為集電結(jié)（J2）。

圖2 三重?cái)U(kuò)散臺面型NPN型BJT的結(jié)構(gòu)剖面

般將NPN型BJT簡化成如圖3a的結(jié)構(gòu)，在這里集電區(qū)中的N-N+結(jié)的作用沒有考慮，這樣發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)可認(rèn)為都是均勻摻雜。

普通的晶體三極管三個(gè)端子在電路中可以有不同的接法，比如共基極、共集電極、共發(fā)射極等。BJT在電力電子變換器中一般使用共發(fā)射極接法，如圖3b所示。其中BJT的基極和發(fā)射極之間的電壓為UBE，集電極與發(fā)射極之間的電壓為UCE。

圖3 NPN型BJT的簡化結(jié)構(gòu)和共發(fā)射極電路

BJT中各部分的摻雜濃度和平衡時(shí)的能帶圖如圖4所示。此時(shí)BJT的基射極之間的電壓和集射極之間的電壓都為零。在能帶圖中，三個(gè)區(qū)域的費(fèi)米能級保持一致，則發(fā)射區(qū)的施主原子摻雜多，電子濃度大，能帶被降低；基區(qū)的受主原子摻雜多，空穴濃度大，能帶被抬高；集電區(qū)為N型輕摻雜，能帶只稍微降低。其中，NDE、NAB和NDC分別表示發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)雜質(zhì)原子的濃度，角標(biāo)的第一字母表示雜質(zhì)屬性，是施主還是受主，第二個(gè)字母表示區(qū)域。從圖中可以看出，其能帶可以看成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)的能帶，只是兩個(gè)二極管中間的距離非常近。

圖4 NPN型BJT的摻雜濃度和平衡時(shí)的能帶圖

雙極結(jié)型晶體管和三極管有什么區(qū)別

雙極結(jié)型晶體管的基本原理

NPN型雙極結(jié)型晶體管可以視為共用陽極的兩個(gè)二極管接合在一起。在雙極結(jié)型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)動和耗盡層中內(nèi)在電場之間的動態(tài)平衡將被打破，這樣會使熱激發(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)代的雙極結(jié)型晶體管中，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，因此必須將雙極結(jié)型晶體管與兩個(gè)相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區(qū)分開來。

雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)

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

基極的物理位置在發(fā)射極和集電極之間，它由輕摻雜、高電阻率的材料制成。集電極包圍著基極區(qū)域，由于集電結(jié)反向偏置，電子很難從這里被注入到基極區(qū)域，這樣就造成共基極電流增益約等于1，而共射極電流增益取得較大的數(shù)值。從右邊這個(gè)典型NPN型雙極結(jié)型晶體管的截面簡圖可以看出，集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)。此外，發(fā)射極具有相當(dāng)高的摻雜濃度。

在通常情況下，雙極結(jié)型晶體管的幾個(gè)區(qū)域在物理性質(zhì)、幾何尺寸上并不對稱。假設(shè)連接在電路中的晶體管位于正向放大區(qū)，如果此時(shí)將晶體管集電極和發(fā)射極在電路中的連接互換，將使晶體管離開正向放大區(qū)，進(jìn)入反向工作區(qū)。晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它適合在正向放大區(qū)工作，所以反向工作區(qū)的共基極電流增益和共射極電流增益比晶體管位于正向放大區(qū)時(shí)小得多。這種功能上的不對稱，根本上是緣于發(fā)射極和集電極的摻雜程度不同。因此，在NPN型晶體管中，盡管集電極和發(fā)射極都為N型摻雜，但是二者的電學(xué)性質(zhì)和功能完全不能互換。

發(fā)射極區(qū)域的摻雜程度最高，集電極區(qū)域次之，基極區(qū)域摻雜程度最低。此外，三個(gè)區(qū)域的物理尺度也有所不同，其中基極區(qū)域很薄，并且集電極面積大于發(fā)射極面積。由于雙極結(jié)型晶體管具有這樣的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此可以為集電結(jié)提供一個(gè)反向偏置，不過這樣做的前提是這個(gè)反向偏置不能過大，以致于晶體管損壞。對發(fā)射極進(jìn)行重?fù)诫s的目的是為了增加發(fā)射極電子注入到基極區(qū)域的效率，從而實(shí)現(xiàn)盡量高的電流增益。

在雙極結(jié)型晶體管的共射極接法里，施加于基極、發(fā)射極兩端電壓的微小變化，都會造成發(fā)射極和集電極之間的電流發(fā)生顯著變化。利用這一性質(zhì)，可以放大輸入的電流或電壓。把雙極結(jié)型晶體管的基極當(dāng)做輸入端，集電極當(dāng)做輸出端，可以利用戴維南定理分析這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)。利用等效的原理，可以將雙極結(jié)型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(wǎng)絡(luò)的左邊看進(jìn)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(fù)載能力的要求。

雙極結(jié)型晶體管的應(yīng)用

集電極-發(fā)射極電流可以視為受基極-發(fā)射極電流的控制，這相當(dāng)于將雙極結(jié)型晶體管視為一種“電流控制”的器件。還可以將它看作是受發(fā)射結(jié)電壓的控制，即將它看做一種“電壓控制”的器件。事實(shí)上，這兩種思考方式可以通過基極-發(fā)射極結(jié)上的電流電壓關(guān)系相互關(guān)聯(lián)起來，而這種關(guān)系可以用PN結(jié)的電流-電壓曲線表示。

人們曾經(jīng)建立過多種數(shù)學(xué)模型，用來描述雙極結(jié)型晶體管的具體工作原理。例如，古梅爾–潘模型（Gummel–Poon Model）提出，可以利用電荷分布來精確地解釋晶體管的行為。上述有關(guān)電荷控制的觀點(diǎn)可以處理有關(guān)光電二極管的問題，這種二極管基極區(qū)域的少數(shù)載流子是通過吸收光子（即上一段提到的光注入）產(chǎn)生的。電荷控制模型還能處理有關(guān)關(guān)斷、恢復(fù)時(shí)間等動態(tài)問題，這些問題都與基極區(qū)域電子和空穴的復(fù)合密切相關(guān)。然而，由于基極電荷并不能輕松地在基極引腳處觀察，因此，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)、分析中，電流、電壓控制的觀點(diǎn)應(yīng)用更為普遍。

在模擬電路設(shè)計(jì)中，有時(shí)會采用電流控制的觀點(diǎn)，這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，雙極結(jié)型晶體管具有近似線性的特征。在這個(gè)范圍（下文將提到，這個(gè)范圍叫做“放大區(qū)”）內(nèi)，集電極電流近似等于基極電流的倍，這對人們分析問題、控制電路功能有極大的便利。在設(shè)計(jì)有的基本電路時(shí)，人們假定發(fā)射極-基極電壓為近似恒定值（如），這時(shí)集電極電流近似等于基極電流的若干倍，晶體管起電流放大作用。

然而，在真實(shí)的情況中，雙極結(jié)型晶體管是一種較為復(fù)雜的非線性器件，如果偏置電壓分配不當(dāng)，將使其輸出信號失真。此外，即使工作在特定范圍，其電流放大倍數(shù)也受到包括溫度在內(nèi)的因素影響。為了設(shè)計(jì)出精確、可靠的雙極結(jié)型晶體管電路，必須采用電壓控制的觀點(diǎn)（例如后文將講述的艾伯斯-莫爾模型）。電壓控制模型引入了一個(gè)指數(shù)函數(shù)來描述電壓、電流關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，函數(shù)關(guān)系為近似線性，可以將晶體管視為一個(gè)電導(dǎo)元件。這樣，諸如差動放大器等電路的設(shè)計(jì)就簡化為了線性問題，所以近似的電壓控制觀點(diǎn)也常被選用。對于跨導(dǎo)線性（translinear）電路，研究其電流-電壓曲線對于分析器件工作十分關(guān)鍵，因此通常將它視為一個(gè)跨導(dǎo)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(shè)計(jì)主要使用SPICE或其他類似的模擬電路仿真器進(jìn)行，因此對于設(shè)計(jì)者來說，模型的復(fù)雜程度并不會帶來太大的問題。但在以人工分析模擬電路的問題時(shí)，并不總能像處理經(jīng)典的電路分析那樣采取精確計(jì)算的方法，因而采用近似的方法是十分必要的。

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