1.3.1 Bipolar晶體管基本工作原理

雙極型晶體管又稱為晶體三極管、晶體管、半導體三極管，“雙極”這一詞的含義是少數載流子和多數載流子兩者一同構成內部電流。圖1.20（a）給出了一個典型的雙極型晶體管結構的橫截面示意圖，如圖所示該晶體管的核心部分由兩個緊靠相連的PN結構成，下面的分析中，將僅考慮圖1.20（b）中的理想化的晶體管結構。雙極型晶體管是一種三端器件，它由兩個n型區——發射極（E）和集電極（C），以及夾在它們中間的一個p型區-基極（B）這三部分組成（對于NPN型晶體管）。一個性能良好的晶體管基區寬度非常小（典型值小于1μm），而且基區摻雜濃度比發射區的低。

根據施加在器件各端（B、E和C）上的電壓，發射極-基極結和集電極-基極結可以分別工作在正向和反向偏壓下，表1.1列舉了所有可能的工作情況組合，其中清楚地給出了雙極型器件的各種工作模式。在數字電路產品中，雙極型晶體管最好工作于夾斷區或正向有源區。一般情況下，應該盡量避免飽和或反向有源區，因為在這些區域內電路性能有可能出現問題。

圖1.21中分別給出了NPN型和PNP型器件的電路符號，同時還給出了它們的電壓電流的符號約定。下面分別介紹晶體管的幾種工作模式。

1.有源區（放大區）

此時，基極-發射極（B-E）結處于正向偏置狀態，而基極-集電極（B-C）結則處于反向偏置條件下。由于B-E結上的正向偏壓降低了勢壘，發射極上的多數載流子（即電子）可以從發射極擴散到基極，成為少數載流子。由于發射極的摻雜濃度要高于基極，可以假設B-E結為不均衡結，這樣就可以忽略空穴電流。由于基區寬度要比1μm低許多，也就是小于擴散長度，因此基區內的濃度梯度會使注入電子擴散到集電極。當電子到達反偏的B-C結時該處的電場（集電極電勢相對于基極為正值）會將他們移至集電極，穿過結的電流（即集電極電流）稱為漂移電流，服從下面的表達式

式中，VBE為B-E結間偏壓；ICS為飽和電流；AE為位于發射極下發的晶體管面積；Db為基區內少數載流子的擴散系數；nb0為平衡狀態下基區內的電子濃度；VT為熱電壓（kT/q）；W為基區厚度。

基極電流IB由基區流向發射區的空穴電流決定，也與B-E結電壓成指數關系，因此集電極電流和基極電流的比值在一階近似下為一常數βF，且

式中，IC和IB分別為集電極電流和基極電流，βF典型值為50～200。

2.飽和區

當雙極型晶體管在飽和區工作時，B-E結和B-C結都處于正向偏置狀態，同時VBE和VBC均大于4VT。此時，在基區的發射極和集電極邊界上均會存在過剩的少數載流子，盡管在發射端的濃度會相對高一些。在基區寬度較短的情況下，采用線性的載流子梯度仍然是合適的，此時存在由發射極流向集電極的擴散電流，其數值比在有源區的情況下更小；同時可以明顯的發現基極電荷的顯著增加，這就造成基極電流中的復合電流成分也會相應的增長。綜合以上兩種因素，結果在飽和區電流增益出現了下降，并且比βF小得多。應用基爾霍夫電壓定律可以證明，飽和條件將對應一個數值很小的VCE，即

式中，VBE＞VBC＞4VT。對于深度飽和器件，VCE，sat的變化范圍一般在0.1～0.2V之間。

3.反向工作區

當晶體管工作于反向工作區時，基極-集電極（B-C）結處于正向偏置條件下，而基極-發射極（B-E）結則處于反向偏置狀態，與前文介紹的有源區情況正好相反。此時電流表達式為

式中，AC為集電極面積。由圖1.21中的電流符號約定，可以解釋IE為負值的原因。盡管該表達式看上去類似于式（1.28），但是在分析基極電流的組成部分時，主要的差別就會體現出來。復合電流與基極-發射極的各電流分量大致處于同一數量級上，而由基極流向集電極的空穴電流相對可觀，事實上已經超出了流過結的電子。這種情況可以通過基極相對于集電極具有更高的摻雜濃度來加以解釋。因此，正向偏置的電流主要由空穴的流動形成，此時基極電流（與發射極電流處于同等數量極）必須提供這些空穴，這一需求解釋了反向電流增益系數βR無關緊要的原因

4.截止區

此時，B-E結和B-C結均處于反向偏置狀態，不存在過剩的基極電荷，流入各極的電流均只局限為反向偏置二極管的反向電流，且均可以忽略不計。因此，可以認為晶體管處于關閉狀態。

晶體管的I～V特性如圖1.22所示，此為在不同IB下，IC和VCE的特性曲線，從中可以明顯看到晶體管的幾個工作區：飽和區、截止區和有源區。由式（1.28），IC 應該不隨VCE發生變化，即在有源區I～V曲線應該非常平坦，但是實際晶體管的有源區特性曲線會有不同程度的上翹，曲線沿反向延伸會與VCE軸相交于點VCE=-VA，此電壓稱為Early電壓，如圖1.23所示，其典型值為50～100V。因此，式（1.28）可以改寫為