1.3.1 Bipolar晶体管基本工作原理

双极型晶体管又称为晶体三极管、晶体管、半导体三极管，“双极”这一词的含义是少数载流子和多数载流子两者一同构成内部电流。图1.20（a）给出了一个典型的双极型晶体管结构的横截面示意图，如图所示该晶体管的核心部分由两个紧靠相连的PN结构成，下面的分析中，将仅考虑图1.20（b）中的理想化的晶体管结构。双极型晶体管是一种三端器件，它由两个n型区——发射极（E）和集电极（C），以及夹在它们中间的一个p型区-基极（B）这三部分组成（对于NPN型晶体管）。一个性能良好的晶体管基区宽度非常小（典型值小于1μm），而且基区掺杂浓度比发射区的低。

根据施加在器件各端（B、E和C）上的电压，发射极-基极结和集电极-基极结可以分别工作在正向和反向偏压下，表1.1列举了所有可能的工作情况组合，其中清楚地给出了双极型器件的各种工作模式。在数字电路产品中，双极型晶体管最好工作于夹断区或正向有源区。一般情况下，应该尽量避免饱和或反向有源区，因为在这些区域内电路性能有可能出现问题。

图1.21中分别给出了NPN型和PNP型器件的电路符号，同时还给出了它们的电压电流的符号约定。下面分别介绍晶体管的几种工作模式。

1.有源区（放大区）

此时，基极-发射极（B-E）结处于正向偏置状态，而基极-集电极（B-C）结则处于反向偏置条件下。由于B-E结上的正向偏压降低了势垒，发射极上的多数载流子（即电子）可以从发射极扩散到基极，成为少数载流子。由于发射极的掺杂浓度要高于基极，可以假设B-E结为不均衡结，这样就可以忽略空穴电流。由于基区宽度要比1μm低许多，也就是小于扩散长度，因此基区内的浓度梯度会使注入电子扩散到集电极。当电子到达反偏的B-C结时该处的电场（集电极电势相对于基极为正值）会将他们移至集电极，穿过结的电流（即集电极电流）称为漂移电流，服从下面的表达式

式中，VBE为B-E结间偏压；ICS为饱和电流；AE为位于发射极下发的晶体管面积；Db为基区内少数载流子的扩散系数；nb0为平衡状态下基区内的电子浓度；VT为热电压（kT/q）；W为基区厚度。

基极电流IB由基区流向发射区的空穴电流决定，也与B-E结电压成指数关系，因此集电极电流和基极电流的比值在一阶近似下为一常数βF，且

式中，IC和IB分别为集电极电流和基极电流，βF典型值为50～200。

2.饱和区

当双极型晶体管在饱和区工作时，B-E结和B-C结都处于正向偏置状态，同时VBE和VBC均大于4VT。此时，在基区的发射极和集电极边界上均会存在过剩的少数载流子，尽管在发射端的浓度会相对高一些。在基区宽度较短的情况下，采用线性的载流子梯度仍然是合适的，此时存在由发射极流向集电极的扩散电流，其数值比在有源区的情况下更小；同时可以明显的发现基极电荷的显著增加，这就造成基极电流中的复合电流成分也会相应的增长。综合以上两种因素，结果在饱和区电流增益出现了下降，并且比βF小得多。应用基尔霍夫电压定律可以证明，饱和条件将对应一个数值很小的VCE，即

式中，VBE＞VBC＞4VT。对于深度饱和器件，VCE，sat的变化范围一般在0.1～0.2V之间。

3.反向工作区

当晶体管工作于反向工作区时，基极-集电极（B-C）结处于正向偏置条件下，而基极-发射极（B-E）结则处于反向偏置状态，与前文介绍的有源区情况正好相反。此时电流表达式为

式中，AC为集电极面积。由图1.21中的电流符号约定，可以解释IE为负值的原因。尽管该表达式看上去类似于式（1.28），但是在分析基极电流的组成部分时，主要的差别就会体现出来。复合电流与基极-发射极的各电流分量大致处于同一数量级上，而由基极流向集电极的空穴电流相对可观，事实上已经超出了流过结的电子。这种情况可以通过基极相对于集电极具有更高的掺杂浓度来加以解释。因此，正向偏置的电流主要由空穴的流动形成，此时基极电流（与发射极电流处于同等数量极）必须提供这些空穴，这一需求解释了反向电流增益系数βR无关紧要的原因

4.截止区

此时，B-E结和B-C结均处于反向偏置状态，不存在过剩的基极电荷，流入各极的电流均只局限为反向偏置二极管的反向电流，且均可以忽略不计。因此，可以认为晶体管处于关闭状态。

晶体管的I～V特性如图1.22所示，此为在不同IB下，IC和VCE的特性曲线，从中可以明显看到晶体管的几个工作区：饱和区、截止区和有源区。由式（1.28），IC 应该不随VCE发生变化，即在有源区I～V曲线应该非常平坦，但是实际晶体管的有源区特性曲线会有不同程度的上翘，曲线沿反向延伸会与VCE轴相交于点VCE=-VA，此电压称为Early电压，如图1.23所示，其典型值为50～100V。因此，式（1.28）可以改写为