发展应用

1947年12月， 贝尔实验室的 约翰·巴丁、 沃尔特·豪泽·布喇顿在 威廉·肖克利的指导下共同发 明了点接触形式的双极性晶体管。1948年， 肖克利发明了采用结型构造的双极性晶体管。在其后的大约三十年时间内，这种器件是制造分立元件电路和集成电路的不二选择。

早期的 晶体管是由锗制造的。在1950年代和1960年代，锗晶体管的使用多于硅晶体管。相对于硅晶体管，锗晶体管的截止 电压更小，通常约0.2伏特，这使得锗晶体管适用于某些应用场合。在晶体管的早期历史中，曾有多种双极性晶体管的制造方法被开发出来。

锗晶体管的一个主要缺点是它容易产生 热失控。由于锗的 禁带宽度较窄，并且要稳定工作则要求的温度相对硅半导体更严，因此大多数现代的双极性晶体管是由硅制造的。采用硅材料的另一个重要原因是硅在地球上的储量比锗丰富得多（仅次于氧）。

后来，人们也开始使用以 砷化镓为代表的化合物来制造半导体 晶体管。砷化镓的 电子迁移率为硅的5倍，用它制造的晶体管能够达到较高的工作频率。此外，砷化镓 热导率较低，有利于高温下进行的加工。化合物晶体管通常可以应用于高速器件。

双极性晶体管能够提供 信号放大，它在 功率控制、 模拟信号处理等领域有所应用。此外，由于 基极- 发射极 偏置电压与温度、 电流的关系已知，双极性晶体管还可以被用来测量温度。根据基极-发射极电压与基极-发射极和集电极-发射极电流的 对数关系，双极性晶体管也能被用来计算对数或求 自然对数的幂指数。

随着人们对于能源问题的认识不断加深， 场效应管（如 CMOS）技术凭借更低的功耗，在 数字集成电路中逐渐成为主流，双极性晶体管在集成电路中的使用由此逐渐变少。但是应当看到，即使在现代的集成电路中，双极性晶体管依然是一种重要的器件，市场上仍有大量种类齐全、价格低廉的 晶体管产品可供选择。与 金属氧化物半导体场效应晶体管（ MOSFET，它是场效应管的一种，另一种为 结型场效应管）相比，双极性晶体管能提供较高的 跨导和 输出电阻，并具有高速、耐久的特性，在 功率控制方面能力突出。因此，双极性晶体管依旧是组成模拟电路，尤其是 甚高频应用电路（如无线通信系统中的 射频电路）的重要配件。双极性晶体管可以通过 BiCMOS技术与和MOSFET制作在一块集成电路上，这样就可以充分利用两者的优点（如双极性晶体管的电流放大能力和 场效应管的低功耗特点）1

基本原理

NPN型双极性晶体管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在双极性晶体管的正常工作状态下， 基极- 发射极结（称这个PN结为“发射结”）处于 正向偏置状态，而基极- 集电极（称这个PN结为“集电结”）则处于 反向偏置状态。在没有外加 电压时，发射结N区的电子（这一区域的 多数载流子）浓度大于P区的电子浓度，部分电子将扩散到P区。同理，P区的部分 空穴也将扩散到N区。这样，发射结上将形成一个 空间电荷区（也成为耗尽层），产生一个内在的 电场，其方向由N区指向P区，这个电场将阻碍上述 扩散过程的进一步发生，从而达成 动态平衡。这时，如果把一个 正向电压施加在发射结上，上述 载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破，这样会使热激发电子注入 基极区域。在 NPN型晶体管里， 基区为P型掺杂，这里空穴为多数掺杂物质，因此在这区域电子被称为“少数载流子”。

从 发射极被注入到基极区域的电子，一方面与这里的 多数载流子空穴发生复合，另一方面，由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄，并且集电结处于 反向偏置状态，大部分电子将通过漂移运动抵达 集电极区域，形成集电极电流。为了尽量缓解电子在到达集电结之前发生的复合， 晶体管的基极区域必须制造得足够薄，以至于 载流子扩散所需的时间短于 半导体少数载流子的寿命，同时，基极的厚度必须远小于电子的 扩散长度（diffusion length，参见 菲克定律）。在现代的双极性晶体管中， 基极区域厚度的典型值为十分之几微米。需要注意的是，集电极、 发射极虽然都是N型掺杂，但是二者掺杂程度、物理属性并不相同，因此必须将双极性晶体管与两个相反方向二极管串联在一起的形式区分开来。

分析方法

从 基极区域的少数 载流子浓度出发，可以解释 集电极的载流子流动。如果双极性晶体管为小注入（low level injection），即通过某些物理过程（如光注入或电注入）引入的 非平衡载流子（excess carrier，或称“过剩载流子”）比热平衡时的 多数载流子少得多， 双极性扩散（即非平衡多数载流子和少数载流子以相同速率流动）速率实际上由非平衡少数载流子决定。另外，双极性晶体管处理 高频信号的能力还受限于基极区域载流子的渡越时间。

结构

一个双极性晶体管由三个不同的掺杂半导体区域组成，它们分别是 发射极区域、 基极区域和 集电极区域。这些区域在 NPN型晶体管中分别是N型、 P型和N型半导体，而在 PNP型 晶体管中则分别是P型、N型和 P型半导体。每一个半导体区域都有一个引脚端接出，通常用字母 E、 B和 C来表示发射极（ Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。

基极的物理位置在发射极和集电极之间，它由轻掺杂、高 电阻率的材料制成。集电极包围着基极区域，由于集电结 反向偏置，电子很难从这里被注入到基极区域，这样就造成共 基极电流增益约等于1，而共射极电流增益取得较大的数值。从右边这个典型NPN型双极性晶体管的截面简图可以看出，集电结的面积大于发射结。此外， 发射极具有相当高的掺杂浓度。

在通常情况下，双极性晶体管的几个区域在物理性质、几何尺寸上并不对称。假设连接在电路中的 晶体管位于正向放大区，如果此时将晶体管 集电极和发射极在电路中的连接互换，将使晶体管离开正向放大区，进入反向工作区。晶体管的内部结构决定了它适合在正向放大区工作，所以反向工作区的共基极电流增益和共射极电流增益比晶体管位于正向放大区时小得多。这种功能上的不对称，根本上是缘于发射极和集电极的掺杂程度不同。因此，在 NPN型晶体管中，尽管集电极和发射极都为N型掺杂，但是二者的电学性质和功能完全不能互换。 发射极区域的掺杂程度最高， 集电极区域次之， 基极区域掺杂程度最低。此外，三个区域的物理尺度也有所不同，其中基极区域很薄，并且集电极面积大于发射极面积。由于双极性晶体管具有这样的物质结构，因此可以为集电结提供一个 反向偏置，不过这样做的前提是这个反向偏置不能过大，以致于 晶体管损坏。对发射极进行 重掺杂的目的是为了增加发射极电子注入到基极区域的效率，从而实现尽量高的电流增益。

在双极性晶体管的共射极接法里，施加于基极、发射极两端电压的微小变化，都会造成发射极和集电极之间的电流发生显著变化。利用这一性质，可以放大输入的电流或电压。把双极性晶体管的 基极当做输入端， 集电极当做输出端，可以利用 戴维南定理分析这个 二端口网络。利用等效的原理，可以将双极性晶体管看成是电压控制的 电流源，也可以将其视为电流控制的 电压源。此外，从二端口网络的左边看进去，基极处的 输入阻抗减小到基极电阻的，这样就降低了对前一级电路的负载能力的要求。

NPN型