简介

双极性电晶体是电子学历史上具有革命意义的一项发明，其发明者威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布喇顿被授予了1956年的诺贝尔物理学奖。

这种电晶体的工作，同时涉及电子和电洞两种载子的流动，因此它被称为双极性的，所以也称双极性载子电晶体。这种工作方式与诸如场效应管的单极性电晶体不同，後者的工作方式仅涉及单一种类载子的漂移作用。两种不同掺杂物聚集区域之间的边界由PN接面形成。

双极性电晶体由三部分掺杂程度不同的半导体制成，电晶体中的电荷流动主要是由於载子在PN接面处的扩散作用和漂移运动。以NPN电晶体为例，按照设计，高掺杂的射极区域的电子，通过扩散作用运动到基极接面。在基极接面区域，电洞为多数载子，而电子少数载子。由於基极接面区域很薄，这些电子又通过漂移运动到达集极，从而形成集极电流，因此双极性电晶体被归到少数载子设备。

双极性电晶体能够放大讯号，并且具有较好的功率控制、高速工作以及耐久能力，所以它常被用来构成放大器电路，或驱动扬声器、电动机等设备，并被广泛地应用於航空太空工程、医疗器械和机器人等应用产品中

发展及应用

1947年12月，贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·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电晶体。1948年，肖克利发明了采用接面型构造的双极性电晶体。在其後的大约三十年时间内，这种器件是制造分立元件电路和积体电路的不二选择。

早期的电晶体是由锗制造的。在1950年代和1960年代，锗电晶体的使用多於矽电晶体。相对於矽电晶体，锗电晶体的截止电压更小，通常约0.2伏特，这使得锗电晶体适用於某些应用场合。在电晶体的早期历史中，曾有多种双极性电晶体的制造方法被开发出来。

锗电晶体的一个主要缺点是它容易产生热失控。由於锗的禁带宽度较窄，如果要稳定工作，则对其工作温度的要求相对矽半导体更严，因此大多数现代的双极性电晶体是由矽制造的。采用矽材料的另一个重要原因是矽在地球上的储量比锗丰富得多（仅次於氧）。

後来，人们也开始使用以砷化镓为代表的化合物来制造半导体电晶体。砷化镓的电子迁移率为矽的5倍，用它制造的电晶体能够达到较高的工作频率。此外，砷化镓热导率较低，有利於高温下进行的加工。化合物电晶体通常可以应用於高速器件。

双极性电晶体能够提供讯号放大，它在功率控制、类比讯号处理等领域有所应用。此外，由於基极接面-射极偏压电压与温度、电流的关系已知，双极性电晶体还可以被用来测量温度。根据基极接面-射极电压与基极接面-射极和集极-射极电流的对数关系，双极性电晶体也能被用来计算对数或求自然对数的幂指数。

随著人们对於能源问题的认识不断加深，场效应管（如CMOS）技术凭藉更低的功耗，在数位积体电路中逐渐成为主流，双极性电晶体在积体电路中的使用由此逐渐变少但是应当看到，即使在现代的积体电路中，双极性电晶体依然是一种重要的器件，市场上仍有大量种类齐全、价格低廉的电晶体产品可供选择。与金属氧化物半导体场效应电晶体（MOSFET，它是场效应管的一种，另一种为接面场效电晶体）相比，双极性电晶体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，双极性电晶体依旧是组成类比电路，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。双极性电晶体可以通过BiCMOS技术与和MOSFET制作在一块积体电路上，这样就可以充分利用两者的优点（如双极性电晶体的电流放大能力和场效应管的低功耗特点）。

基本原理

NPN型双极性电晶体可以视为共用阳极的两个二极体接合在一起。在双极性电晶体的正常工作状态下，基极接面-射极接面（称这个PN接面为「射极接面」）处於顺向偏压状态，而基极接面-集极（称这个PN接面为「集极接面」）则处於逆向偏压状态。在没有外加电压时，射极接面N区的电子（这一区域的多数载子）浓度大於P区的电子浓度，部分电子将扩散到P区。同理，P区的部分电洞也将扩散到N区。这样，射极接面上将形成一个空间电荷区（也称为空乏层），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，如果把一个顺向电压施加在射极接面上，上述载子扩散运动和空乏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接面区域。在NPN型电晶体里，基区为P型掺杂，这里电洞为多数掺杂物质，因此在这区域电子被称为「少数载子」。

从射极被注入到基极接面区域的电子，一方面与这里的多数载子电洞发生复合，另一方面，由於基极接面区域掺杂程度低、物理尺寸薄，并且集极接面处於逆向偏压状态，大部分电子将通过漂移运动抵达集极区域，形成集极电流。为了尽量缓解电子在到达集极接面之前发生的复合，电晶体的基极接面区域必须制造得足够薄，以至於载子扩散所需的时间短於半导体少数载子的寿命，同时，基极接面的厚度必须远小於电子的扩散长度（diffusion length，参见菲克定律）。在现代的双极性电晶体中，基极接面区域厚度的典型值为十分之几微米。需要注意的是，集极、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，因此必须将双极性电晶体与两个相反方向二极体串联在一起的形式区分开来。

分析方法

集极-射极电流可以视为受基极接面-射极电流的控制，这相当於将双极性电晶体视为一种「电流控制」的器件。还可以将它看作是受射极接面电压的控制，即将它看做一种「电压控制」的器件。事实上，这两种思考方式可以通过基极接面-射极接面上的电流电压关系相互关联起来，而这种关系可以用PN接面的电流-电压曲线表示。