雙極性晶體管概述

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(chǎng)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。

雙極性晶體管是電子學(xué)歷史上具有革命意義的一項(xiàng)發(fā)明，其發(fā)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(xué)獎(jiǎng)。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(chǎng)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)。以NPN晶體管為例，按照設(shè)計(jì)，高摻雜的發(fā)射極區(qū)域的電子，通過擴(kuò)散作用運(yùn)動(dòng)到基極。在基極區(qū)域，空穴為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。由于基極區(qū)域很薄，這些電子又通過漂移運(yùn)動(dòng)到達(dá)集電極，從而形成集電極電流，因此雙極性晶體管被歸到少數(shù)載流子設(shè)備。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。

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(chǎng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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。