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電晶體電晶體是一種半導體元件，用於開關或放大信號。您可以將其視為開關，可以通過使用非常弱的信號（電流控制開關）來操作。 電晶體具有三個端子：它們被稱為基極（B），射極（E）和集極（C）。 顯然，電晶體無法永遠持續放大：在電晶體處於飽和模式下，電晶體就像一個開關。 電晶體有兩種類型：NPN和PNP。這與內部的半導體有關。 NPN電晶體和PNP電晶體下列哪幾馬達會轉動？  這兩個電路都是錯誤的，為什麼？相關雙極性電晶體（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元件。雙極性電晶體是電子學歷史上具有革命意義的一項發明，[1]:79其發明者威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·布喇頓被授予1956年的諾貝爾物理學獎。[2] 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電晶體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。[3]:95 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。在基極區域，電洞為多數載子，而電子少數載子。由於基極區域很薄，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。[4]:30[5]:35 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，[6]:48，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，並被廣泛地應用於航太工程、醫療器械和機器人等應用產品中。[6]:48 通斷（傳遞訊號）時的雙極電晶體表現出一些延遲特性。大多數電晶體，尤其是功率電晶體，具有長的儲存時間，限制操作處理器的最高頻率。一種方法用於減少該存儲時間是使用Baker clamp。 發展及應用[編輯]1947年12月，貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓在威廉·肖克利的指導下共同發明了點接觸形式的雙極性電晶體。[7]1948年，肖克利發明了採用接面型構造的雙極性電晶體。[8]在其後的大約三十年時間內這種元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。矽電晶體截止電壓通常為0.5至 1V，鍺電晶體的截止電壓更小，通常約0.2V，這使得鍺電晶體適用於某些應用場合例如高靈敏度的設備。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。[9] 鍺電晶體的一個主要缺點是它容易產生熱失控。[10]由於鍺的禁帶寬度較窄[11]，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[10]，因此大多數現代的雙極性電晶體是由矽製造的[12]。採用矽的另外一個原因是容易形成穩定的二氧化矽，二氧化矽與其他金屬之間的粘性也大，容易製作電子元件[13]。 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。砷化鎵的電子移動率為矽的5倍，[14]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。[14]化合物電晶體通常可以應用於高速元件。[來源請求] 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應用。此外，由於基極-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。[15]根據基極-射極電壓與基極-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。[來源請求] 隨著人們對於能源問題的認識不斷加深，場效電晶體（例如互補式金屬氧化物半導體）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。[6]:48-49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元件，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。[6]:48因此，雙極性電晶體依舊是組成類比電路，尤其是甚高頻應用電路（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電晶體的低功耗特點）。[6]:53-54 基本原理[編輯]圖中左邊的藍色區域為射極，中間綠色區域為基極，右邊藍色區域為集極。灰色的箭頭為電子的流動方向示意，射極注入的大部分電子移動到了集極，少部分在基極與電洞複合。白色箭頭為基極的多數載子電洞的流動方向示意。NPN型雙極性電晶體處於順向主動區的條件是：在射極接面上具有順向偏壓，而集極接面具有逆向偏壓。 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，射極接面（基極與射極之間的PN接面）處於順向偏壓狀態，而集極接面（基極與集極之間的PN接面）則處於逆向偏壓狀態。[4]:29-30在沒有外加電壓時，射極接面N區的電子（該區域的多數載子）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。[16]:161-162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區域。在NPN型電晶體里，基區為P型摻雜，這裡電洞為多數摻雜物質，而電子則為少數載子。[來源請求] 從射極被注入到基極區域的電子，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。[3]:35為了儘量緩解電子在到達集極接面之前發生的複合，電晶體的基極區域的厚度必須遠小於電子的擴散長度（diffusion length，參見菲克定律），使得載子擴散所需的時間短於半導體少數載子的壽命。在現代的雙極性電晶體中，基極區域厚度的典型值為十分之幾微米。[17]:347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。[5]:33-34 分析方法[編輯]集極-射極電流可以視為受基極-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」的元件。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」的元件。事實上，這兩種思考方式可以通過基極-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。[18] 從基極區域的少數載子濃度出發，可以解釋集極的載子流動。[18][19][20]:12如果雙極性電晶體為小注入，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，[16]:126-127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區域載子的渡越時間。[20]:12 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。[21]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，這些問題都與基極區域電子和電洞的複合密切相關。然而，由於基極電荷並不能輕鬆地在基極引腳處觀察，因此，在實際的電路設計、分析中，電流、電壓控制的觀點應用更為普遍。[來源請求] 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電流的βF{\displaystyle \beta _{\text{F}}} 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元件，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）。[18]電壓控制模型引入了一個指數函數來描述電壓、電流關係，在一定範圍內，函數關係為近似線性，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-電壓曲線對於分析元件工作十分關鍵，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。[來源請求] 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仿真器進行，[17]:300-302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。[5]:3 主要參數[編輯]電流放大參數[編輯]射極擴散到基極的電子，大部分都能夠漂移到集極，剩下的電子與基極區域的電洞發生載子複合。成功抵達集極的電子濃度占射極擴散出來的電子總濃度的比值，是衡量雙極性電晶體效率的一項重要指標。由於射極區域為重摻雜，基極區域為輕摻雜，所以從射極被注入到基極的電子濃度大於從基極注入到射極的電洞濃度。下面將討論雙極性電晶體在電路中以射極或基極為公共端時的電流放大倍數。 如果電晶體採用共射極接法，輸入電流為基極電流IB{\displaystyle I_{\text{B}}} 如果集極從無偏壓變為逆向偏壓，那麼IC{\displaystyle I_{\text{C}}}與IB{\displaystyle I_{\text{B}}}的比值稱為共射極靜態電流增益，它的表達式為[1]:85 對於小訊號模型中的電晶體，βF{\displaystyle \beta _{\text{F}}}的數值通在20到200之間，[5]:36不過在一些為高功率應用設計的電晶體中，它可能會更小一點。 如果電晶體採用共基極接法，輸入電流為發無線電流IE{\displaystyle I_{\text{E}}} 如果集極從無偏壓變為逆向偏壓，那麼IC{\displaystyle I_{\text{C}}}與IE{\displaystyle I_{\text{E}}}的比值稱為共基極靜態電流增益，它的表達式為[1]:84-85 hFB=ICIE{\displaystyle h_{\text{FB}}={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{E}}}}}上述兩個參數可以通過下面的公式相互轉換（在NPN型電晶體中）[4]:32 βF=αF1−αF⟺αF=βFβF+1{\displaystyle \beta _{\text{F}}={\frac {\alpha _{F}}{1-\alpha _{F}}}\iff \alpha _{F}={\frac {\beta _{F}}{\beta _{F}+1}}}當對低頻的交流小訊號進行近似分析時，也可以採用上述直流參數。[4]:34如果需要更高的精確度，就必須慮及雙極性電晶體中的結電容效應帶來的影響。當訊號電壓的頻率達到一定程度後，電流的放大倍數將會下降。[4]:35 功率參數[編輯]雙極性電晶體的最大集極耗散功率PCM{\displaystyle P_{\text{CM}}} 極限電流和極限電壓[編輯]當集極電流增大到一定數值ICM{\displaystyle I_{\text{CM}}} 當功率雙極性電晶體集極的逆向偏壓電壓VCE{\displaystyle V_{\text{CE}}} 如果雙極性電晶體集極接面提供超出允許範圍的逆向偏壓，並不對流經電晶體的電流進行限制，射極接面將發生突崩潰，也會造成元件損壞。[4]:16 溫度漂移[編輯]作為一種類比的元件，雙極性電晶體的所有參數都會不同程度地受溫度影響，特別是電流增益β{\displaystyle \beta } 抗輻射能力[編輯]雙極性電晶體對電離輻射較為敏感。如果將電晶體置於電離輻射的環境中，元件將因輻射而受到損害。產生損害是因為輻射將在基極區域產生缺陷，這種缺陷將在能帶中形成複合中心（recombination centers）。這將造成元件中起作用的少數載子壽命變短，進而使電晶體的性能逐漸降低。NPN型雙極性電晶體由於在輻射環境中，載子的有效複合面積更大，受到的負面影響比PNP型電晶體更顯著。[22]在一些特殊的應用場合，如核反應爐或太空飛行器中的電子控制系統中，必須採用特殊的手段緩解電離輻射帶來的負面效應。 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（Base）和集極（Collector）。 基極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區域，這樣就造成共基極電流增益α{\displaystyle \alpha } 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。假設連接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接互換，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電流增益α{\displaystyle \alpha }和共射極電流增益β{\displaystyle \beta }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區域的效率，從而實現儘量高的電流增益。[5]:33-34 KSY34型高頻NPN電晶體實體中已固定好的晶粒，基極和射極通過線焊方式經由細金屬線（金線或鋁線等，本圖為鋁線）引出，集極則由晶粒底部連接金屬底座引出。 在雙極性電晶體的共射極接法裡，施加於基極、射極兩端電壓的微小變化，都會造成射極和集極之間的電流發生顯著變化。利用這一性質，可以放大輸入的電流或電壓。把雙極性電晶體的基極當做輸入端，集極當做輸出端，可以利用戴維南定理分析這個二埠網絡。[23]:90-97利用等效的原理，可以將雙極性電晶體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，從二埠網絡的左邊看進去，基極處的輸入阻抗減小到基極電阻RB{\displaystyle R_{\text{B}}} NPN型[編輯]NPN型和PNP型雙極性電晶體的符號，NPN型的箭頭指向外側，PNP型的箭頭指向內側。 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）組成。輸入到基極的微小電流將被放大，產生較大的集極-射極電流。當NPN型電晶體基極電壓高於射極電壓，並且集極電壓高於基極電壓，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，是射極注入到基極區域的電子（在基極區域為少數載子），在電場的推動下漂移到集極的結果。由於電子移動率比電洞遷移率更高，[16]:93因此現在使用的大多數雙極性電晶體為NPN型。 雙極性電晶體的電學符號如左圖，基極和射極之間的箭頭表示射極電流方向。[24]:64 PNP型[編輯]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型電晶體的基極電壓低於射極時，集極電壓低於基極，電晶體處於順向主動區。 在雙極性電晶體電學符號中，基極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。[24]:102 異質接面雙極性電晶體[編輯]在圖中的異質接面雙極性電晶體中，基極區域的能隙分布不均勻有利於少數載子（電子）通過基極區域。圖中淺藍色表示空乏層。 異質接面雙極性電晶體（heterojunction bipolar transistor）是一種改良的雙極性電晶體，它具有高速工作的能力。研究發現，這種電晶體可以處理頻率高達幾百GHz的超高頻訊號，因此它適用於射頻功率放大、雷射驅動等對工作速度要求苛刻的應用。[25][26][27] 異質接面是PN接面的一種，這種結的兩端由不同的半導體材料製成。在這種雙極性電晶體中，射極接面通常採用異質接面結構，即射極區域採用寬禁帶材料，基極區域採用窄禁帶材料。常見的異質接面用砷化鎵（GaAs）製造基極區域，用鋁-鎵-砷固溶體（AlxGa1-xAs）製造射極區域。[1]:101採用這樣的異質接面，雙極性電晶體的注入效率可以得到提升，電流增益β{\displaystyle \beta }也可以提高幾個數量級。 採用異質接面的雙極性電晶體基極區域的摻雜濃度可以大幅提升，這樣就可以降低基極電極的電阻，並有利於降低基極區域的寬度。[1]:101在傳統的雙極性電晶體，即同質結電晶體中，射極到基極的載子注入效率主要是由射極和基極的摻雜比例決定的。在這種情況下，為了得到較高的注入效率，必須對基極區域進行輕摻雜，這樣就不可避免地使增大了基極電阻。 如左邊的示意圖中，Δϕp{\displaystyle \Delta \phi _{\text{p}}} 儘管有許多不同的半導體可用來構成異質接面電晶體，矽-鍺異質接面電晶體和鋁-砷化鎵異質接面電晶體更常用。製造異質接面電晶體的製程為晶體磊晶技術，例如金屬有機物氣相磊晶（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束磊晶。 工作區[編輯]電壓射極接面偏壓集極接面偏壓工作模式NPN型E < B < C順向逆向順向-放大E < B > C順向順向飽和E > B < C逆向逆向截止E > B > C逆向順向逆向-放大PNP型E < B < C逆向順向逆向-放大E < B > C逆向逆向截止E > B < C順向順向飽和E > B > C順向逆向順向-放大圖示為雙極性電晶體的輸出特性曲線。 可以根據電晶體三個終端的的偏壓狀態，可以定義雙極性電晶體幾個不同的工作區。在NPN型半導體中（注意：PNP型電晶體和NPN型電晶體的電壓描述恰好相反），按射極接面（基極-射極接面）、集極接面（基極-集極接面）的偏壓情況，工作區可以分為為[來源請求]
此外，分析、設計雙極性電晶體電路時，還應當注意不能超過雙極性電晶體的最大集極耗散功率PCM{\displaystyle P_{\text{CM}}}。如果電晶體的工作功率小於這一數值，這些工作狀態的集合稱為安全工作區。如果電晶體的工作功率超過這個限度，將造成元件溫度超過正常範圍，元件的性能將產生較大的變化，甚至造成損壞。[4]:35矽電晶體允許的結溫度介於150攝氏度和200攝氏度之間。可以通過降低內熱阻、使用散熱片和引入風冷、水冷、油冷等措施來提高最大允許耗散功率。[1]:147 實際上，上述工作區之間並沒有絕對的界限，在較小電壓變化（小於幾百毫伏）範圍內，上面提到的不同區域之間可能有一定的重疊。 處於主動區的雙極性電晶體[編輯]左邊這幅示意圖，繪出了一個由兩個電壓源提供偏壓的NPN型電晶體，圖中箭頭代表電流的方向（電子流動的反方向）。為了使電晶體能夠在集極和射極之間傳導較大的電流（大約1毫安的數量級），VBE{\displaystyle V_{\text{BE}}} 電晶體工作在主動區時，集極電流IC{\displaystyle I_{\text{C}}}與基極電流IB{\displaystyle I_{\text{B}}}的比值被稱為直流電流增益。直流電流增益的數值可以隨溫度變化，不過在有的電路設計中，並不需要依賴其精確值（請參見運算放大器的例子）。直流電流增益以參數hFE{\displaystyle h_{\text{FE}}} 另外值得注意的是，射極電流IE{\displaystyle I_{\text{E}}}與VBE{\displaystyle V_{\text{BE}}}成指數關係。在放大器，基極電流與集極電流近似成線性關係，所以二者的變化趨勢相同。[來源請求] PNP型雙極性電晶體的情況與NPN型電晶體類似，不過分析時應注意，其相應的電壓值恰好相反。[來源請求] 理論模型[編輯]下面的將以NPN型雙極性電晶體為例進行探討，PNP型電晶體的原理類似。當NPN型電晶體處於順向主動區時，它的基極-射極電壓VBE{\displaystyle V_{\text{BE}}}、集極-基極電壓VCB{\displaystyle V_{\text{CB}}} 大訊號模型[編輯]艾伯斯-莫爾模型[編輯]NPN型雙極性電晶體的艾伯斯-莫爾模型示意圖[29]:903（其中：IB{\displaystyle I_{\text{B}}}, IC{\displaystyle I_{\text{C}}}, IE{\displaystyle I_{\text{E}}}分別為基極電流、集極電流、射極電流；ICD{\displaystyle I_{\text{CD}}} NPN型電晶體在順向主動區的近似艾伯斯-莫爾模型示意圖，集極接面為逆向偏壓，因此ICD{\displaystyle I_{\text{CD}}}幾乎為零。射極接面電流大部分都來源於集極（αF{\displaystyle \alpha _{\text{F}}}接近1），從而對基極電流進行放大。 1954年，約翰·莫爾（John L. Moll）、朱威爾·艾伯斯（Jewell James Ebers）提出了關於電晶體電流的數學模型。當電晶體處於主動區時，射極和集極的直流電流可以利用近似艾伯斯-莫爾模型（簡稱：EM模型）來描述。假設電晶體為小注入的情況，並且忽略爾利效應，那麼艾伯斯-莫爾方程可以表達為[1]:218 |
Npn pnp電晶體
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