檢視雙極性電晶體的原始碼

'''雙極性電晶體'''（英語：bipolar transistor）， 全稱'''雙極性接面形電晶體'''（bipolar junction transistor , BJT）， 俗稱'''三極體'''，是一種有三个終端的電子元件。雙極性電晶體是電子學歷史上有革命意義的一項發明，: 七十九其發明者威廉 ・ 痟克利、約翰 ・ 巴丁佮沃爾特 ・ 布喇頓被授予一九五六年的諾貝爾物理學獎。

這種電晶體的工課，同時牽涉著電子佮電空兩種載子的流動，所以伊予人號做雙極性的，所以嘛講'''雙極性載子電晶體'''。這款工作方式佮諸如場效電晶體的單極性電晶體無仝，後者的工作方式干焦牽涉著單一種類載子的漂移作用。兩種無仝摻雜物聚集區域之間的邊界由 PN 接面形成。: 九十五雙極性電晶體由三部分摻雜程度無仝的半導體製成，電晶體中的電錢流動主要是因為載子佇咧 PN 接面處的擴散作用佮漂移運動。以 NPN 電晶體做例，按照設計，高和雜的射極區域的電子，通過擴散作用運動到基極。佇咱基極的區域，電空為多數載子，抑若電子少數載子。因為咱基極的區域足薄的，遮的電子閣通過漂徙運動到達集極，對而且形成集極電流，自按呢雙極性電晶體被歸到少數載子設備。: 三十 : 三十五雙極性電晶體會當放大訊號，並且有較好的功率咧控制、高速做工課猶閣有耐久的能力，: 四十八，所以伊定定予人用來構成放大器電路，抑是驅動揚聲器、電動機等設備，閣被廣泛地應用佇航太工程、醫療器械和機器人等應用產品內底。: 四十八通斷（傳遞訊號）的時陣雙極電晶體表現出一寡延遲特性。大多數電晶體，尤其是功率電晶體，有長的儲存時間，限制操作處理器的上懸頻率。一種方法用佇減少應該儉儲時間是使用'''Baker clamp'''。

==發展佮應用==

一九四七年十二月，貝爾實驗室的約翰 ・ 巴丁、沃爾特 ・ 布拉餐佇威廉 ・ 痟克利的指導下共同發明了點接觸形式的雙極性電晶體。一九四八年，痟克利發明矣採用接面形構造的雙極性電晶體。佇其後的差不多三十年時間內這種元件是製造分立元件電路佮積體電路的不二選擇。

古早的電晶體是由喬製造的。佇一九五空年代佮一九六空年代，幫電晶體的使用真濟佇矽電晶體。矽電晶體截止電壓通常為零馮五至一 V，學電晶體的截止電壓閣較細，通常大約零交二 V，這予得允電晶體適用佇某寡應用場合比如講高靈敏度的設備。佇咧電晶體的早期歷史內底，捌有幾若種雙極性電晶體的製造方法予人開發出來。

岩電晶體的一个主要欠點是伊𠢕產生熱失控。因為石頭仔的禁帶闊度較狹，若欲穩定的工課，著其工作溫度的要求相對矽半導體閣較嚴，所致大多數現代的雙極性電晶體是由矽製造的。採用矽的另外一个原因是容易形成穩定的二氧化矽，二氧化矽佮其他金屬之間的粘性嘛大，較容易製作電子元件。

後來，咱人嘛開始使用新化消息是代表的化合物來製造半導體電晶體。新化領的電子移動率為矽的五倍，用伊製造的電晶體會當達到較懸的工作頻率。此外，新化消熱導率較低，對高溫下跤進行的加工。化合物電晶體通常會當應用佇高速元件。

雙極性電晶體會當提供訊號放大，伊咧功率控制、類比訊號處理等領域有所應用。此外，因為基極-射極偏壓電壓佮溫度、彼號電流的關係已知影講，雙極性電晶體閣會當予人用來測量溫度。根據基極-射極電壓佮基極-射極佮集極-射極電流的對數關係，雙極性電晶體嘛會當予人用來做對數抑是求自然對數的冪指數。

隨著咱對能源的問題的認捌不斷加深，場效電晶體（譬如講互補式金屬氧化物半導體）技術憑藉閣較低的功磨，佇數位積體電路內面沓沓成做主流，雙極性電晶體咧積體電路內底的使用自按呢沓沓仔變少。: 四十八堵四十九但是應當看著，就算佇現代的積體電路內底，雙極性電晶體猶原閣是一種重要的元件，市場上猶原有大量種類齊全、價數俗的電晶體產品會當供選擇。和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懸的跨導佮輸出電阻，並且有高速、耐久的特性，佇功率控制方面彼能力突出。: 四十八因此，雙極性電晶體猶原是組成類比電路，尤其是啥物高頻應用電路（若無線通信系統中的射頻電路）的重要配件。雙極性電晶體會當通過 BiCMOS 𪜶的技術佮 MOSFET 製作佇一塊積體電路頂頭，按呢就好充分利用兩者的優點（親像雙極性電晶體的電流放大能力佮場效電晶體的低功了特點）。 : 五十三鋪五十四

==基本原理==

NPN 雙極性電晶體會當看做是共用陽極的兩个二極體接合做伙。佇雙極性電晶體的正常工作狀態之下，'''射極接面'''（基極佮射極之間的 PN 接面）因為順向偏壓的狀態，而且'''集極接面'''（基極佮集極之間的 PN 接面）是因為顛倒向偏壓的狀態。: 二十九學三十佇咧無外加電壓的時陣，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，部份電子將湠到 P 區。同理，P 區的部份電空嘛會湠到 N 區。按呢乎，射極接面上將形成一个空間電荷區（嘛講是空乏層）， 產生一个內在的電場，其方向的 N 區指向 P 區，這个電場欲阻礙上擴散的過程進一步發生，毋過達成動態平衡。: 一百六十一孵一百六十二這陣，若共一个順向電壓施加佇射極接面頂，欲講載子擴散運動佮空乏層中內佇咧電場之間的動態平衡將被拍破，按呢會使熱激發電子注入基極區域。佇咧 NPN 型電晶體里，基區為 P 型透濫，遮電空為多數濫雜物質，抑若電子是少數載子。

對射極予人注入到基極區域的電子，一方面佮遮的多數載子電空發生複合，另外一方面，因為基極區域濫雜程度低、物理 sài-sù 薄，並且集極接面處佇咧顛倒向偏壓的狀態，大部份電子將通過漂移運動到位集極區域，形成集極電流。: 三十五為著欲盡量來緩解電子佇咧達集極接面進前所發生的複合，電晶體的基極區域的厚度著愛對較遠咧電子的擴散長度（diffusion length，參見菲克定律）， 予載甲散裝所需要的時間加減半導體少數載子的壽命。佇現代的雙極性電晶體當中，基極區域厚度的典型值為十分之幾微米。: 三百四十七需要注意的是，集極、射極雖然攏是 N 型透濫，但是二者透濫程度、物理屬性並無仝款，因此必須愛共雙極性電晶體佮兩个倒反的方向二極體串聯做伙的形式區分開。: 三十三拍三十四

==分析方法==

集極-射極電流會當看做是受基極-射極電流的控制，這對雙極性電晶體看做是一種「電流控制」的元件。閣會當共伊看做是受射極接面電壓的控制，即將伊看做一種「電壓控制」的元件。事實上，這兩種思考的方式會當通過基極-射極接面上的電流電壓關係互相關聯起來，而且這種關係會當用 PN 接面的電流-電壓曲線表示。

對基極區域的少數載子濃度出發，會當解說集極的載子流動。: 十二若雙極性電晶體為細注入，隨通過某一寡物理過程（如光注入抑是電入去）引入了非平衡載子（excess carrier，抑是稱「過賰載子」）比一般的平衡時間的多數載子減有，: 一百二十六分一百二十七雙極性擴散（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。另外咧，雙極性電晶體處理高頻訊號的能力猶閣因為基極區域載子的渡越時間。: 十二人𪜶捌建立過真濟種數學模型，用來描述雙極性電晶體的具體工作原理。比如講，古梅爾–潘模型（Gummel–Poon Model）提出，會當利用電荷分布來確實解說電晶體的行為。成為關電荷控制的觀點會當處理有關光電二極體的問題，這款二極體基極區域的少數載子是通過吸收了子（即時一段講著的光注入）產生的。電錢控制模型猶會當處理有關斷、恢復時間等等的動態問題，遮的問題攏佮基極區域電子佮電空的複合密切相關。毋過，因為基極電錢並袂當輕鬆的所在基極引跤處觀察，所以，佇實際的電路設計、分析中，電流、電壓控制的觀點應用閣較普遍。

佇類比電路設計中，有時陣攏會用電流控制的觀點，這是因為佇一定範圍內底，雙極性電晶體具有將近若線性的特徵。佇這个範圍（下文欲講著，這个範圍號做「主動區」）內，集極電流近來親像基極電流來的 $ \ beta _ { \ text { F } } $ 倍，這對人分析問題、控制電路功能有真大的便利。咧設計有的基本電路的時陣，人假定射極-基極電壓做近來恆定值（如 $ V _ { cc } $）， 這陣真電流若像等於基極電流的若干倍，電晶體起電流放大作用。

毋過，佇咧真實的情形中，雙極性電晶體是一種較複雜的非線性元件，你若偏壓電壓分配不當，將使其輸出訊號失真。此外，就算是工作佇特定的範圍，電流放大倍數嘛受著包括溫度在內的因素影響。為著設計出精確、可靠的雙極性電晶體電路，著愛用電壓控制的觀點（譬如講後文將的講艾伯斯-不要而已模型）。 電壓控制模型引入了一个指數函數來描述電壓、電流關係，佇一定的範圍內底，函數關係為近若線性，會當將電晶體看做一个電導元件。按呢乎，諸如差動放大器等電路的設計就簡化為著線性的問題，所以近若親像的電壓控制觀點嘛定定予人選用。對跨導線性（translinear）電路，研究其電流-電壓曲線對分析元件工作十分關鍵，因此通常共看做是一个跨導佮集極電流成比例的電壓控制模型。

目前，電晶體級別的電路設計主要使用 SPICE 抑是其他類似的類比電路仿真器進行，: 三百世界三百空二所致對設計者來講，模型的複雜程度並袂帶來傷大的問題。猶毋過佇以人工分析類比電路的問題的時陣，並無總會當像處理經典的電路分析按呢採取精確計算的方法，因為用近若像的方法是規十分必要的。: 三

==主要參數==

===電流放大參數===

射極擴散到基極的電子，大部份攏會當漂徙到集極，賰的電子佮基極區域的電空發生載子複合。成功到位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。因為射極的區域真重濫，基極區域為輕摻雜，所以對射極予人注入到基極的電子濃度大於基極注入到射極的電洞濃度。下跤會討論雙極性電晶體佇咧電路當中以射極抑是基極為公共捀的時陣的電流放大倍數。

若電晶體採用共射極接法，輸入電流做基極電流 $ I _ { \ text { B } } $，輸出電流做集極電流 $ I _ { \ text { C } } $，做射極接面順向偏壓、集極接面不施加偏壓時，電晶體的共射極直流短路電流增益會用表示為集極電流 $ I _ { \ text { C } } $ 佮基極電流 $ I _ { \ text { B } } $ 的比值 : 八十五


: $ \ beta _ { \ text { F } }={ \ frac { I _ { \ text { C } } } { I _ { \ text { B } } } } $

若是集極對無偏壓變做顛倒向偏壓，遐爾 $ I _ { \ text { C } } $ 佮 $ I _ { \ text { B } } $ 的比值稱做共射極靜態電流增益，伊的表達式為 : 八十五


: $ h _ { \ text { FE } }={ \ frac { I _ { \ text { C } } } { I _ { \ text { B } } } } $

對小訊號模型中的電晶體，$ \ beta _ { \ text { F } } $ 的數值通佇二十到二百之間，: 三十六毋過佇一寡為高功率應用設計的電晶體內底，伊可能閣較細一屑仔。

若電晶體採用共基極接法，輸入電流做發無線電流 $ I _ { \ text { E } } $，輸出電流做集極電流 $ I _ { \ text { C } } $，做射極接面順向偏壓、集極接面不施加偏壓時，電晶體的共基極一直流短路電流增益會當表示為集極電流 $ I _ { \ text { C } } $ 佮射極電流 $ I _ { \ text { E } } $ 的比值 : 八十四抹八十五


: $ \ alpha _ { \ text { F } }={ \ frac { I _ { \ text { C } } } { I _ { \ text { E } } } } $

若是集極對無偏壓變做顛倒向偏壓，遐爾 $ I _ { \ text { C } } $ 佮 $ I _ { \ text { E } } $ 的比值稱做共基極靜態電流增益，伊的表達式為 : 八十四抹八十五


: $ h _ { \ text { FB } }={ \ frac { I _ { \ text { C } } } { I _ { \ text { E } } } } $

欲講兩个參數會當通過下跤的公式相換（佇咧 NPN 型電晶體中）: 三十二


: $ \ beta _ { \ text { F } }={ \ frac { \ alpha _ { F } } { 一-\ alpha _ { F } } } \ iff \ alpha _ { F }={ \ frac { \ beta _ { F } } { \ beta _ { F } + 一 } } $

當對低頻的交流小訊號進行最近分析的時陣，嘛會當採用上述直流參數。: 三十四若需要閣較懸的精確度，就必須慮著雙極性電晶體內底的結電容效應帶來的影響。做訊號電壓的頻率達到一定程度了後，電流的放大倍數將會下降。: 三十五

===功率參數===

雙極性電晶體的上大集極耗散功率 $ P _ { \ text { CM } } $ 是元件佇一定溫度佮散熱條件之下正常能正常工作的上大功率。佇條件相𫝛的情形下，若實際功率大於這數值，電晶體的溫度會超出上大的可值，使元件性能下降，甚至講造成物理損蕩去。: 三十五 : 一百四十七喔

===極限電流佮極限電壓===

當集極電流增大到一定數值 $ I _ { \ text { CM } } $ 後，雖然袂造成雙極性電晶體的拍歹，猶毋過電流增益會明顯降低。為著使電晶體按照設計正常工作，需要限制集極電流的數值。除了這以外，因為雙極性電晶體有兩个 PN 接面，因此𪜶的顛倒向偏壓電壓袂當過大，防止 PN 接面顛倒向擊穿。: 三十五分三十六雙極性電晶體的數據手冊攏會詳細列出遮的參數。

當功率雙極性電晶體集極的顛倒向偏壓電壓 $ V _ { \ text { CE } } $ 超過一定數值，並且流經電晶體的電流超出佇一定允准的範圍之內，予電晶體功率大於二次擊穿臨界功率 $ P _ { \ text { SB } } $ 就會產生一種予人叫做「二次拍穿」的危險現象。佇這種情形里，超出設計範圍的電流將造成元件內部無仝區域的局部溫度一直咧走，部份區域溫度懸於其他的區域。因為濫雜的矽具有負的溫度係數（temperature coefficient）， 所以當伊所在足懸的溫度的時陣，其導電性能閣較強。按呢乎，較熱部份就會當傳導閣較濟的電流，這部份電流會產生另外的熱能，造成局部的溫度會超過正常值，致使元件袂使正常的工作。二次拍穿是一種熱失控，一旦溫度衝懸，電導率欲進一步提升，對造成惡性循環，終其尾誠嚴重損毀電晶體的結構。規个兩改拍之過程這需要閬一秒抑是秒量級的時間就會當完成。: 一百五十一若是雙極性電晶體集極接面提供超出允准的範圍的顛倒向偏壓，並毋著流經電晶體的電流進行限制，射極接面欲發生突崩潰，嘛會造成元件損蕩去。: 十六

===溫度漂移===

成做一種類比的元件，雙極性電晶體的所有參數攏會無仝款程度地受溫度影響，特別是電流增益 $ \ beta $。根據研究，溫度每升高一攝氏度，$ \ beta $ 大約會增加百分之零被五到百分之一。: 四十一

===抗輻射能力===

雙極性電晶體對電離輻射較為敏感。若共電晶體囥佇電離輻射的環境中，元件共因為輻射受著損害。產生損害是因為輻射欲佇基極區域產生缺陷，這款缺陷將佇會當𤆬中形成複合中心（recombination centers）。 這將造成元件中起作用的少數載子壽命變短，進一步使電晶體的性能漸漸降低。NPN 型雙極性電晶體因為佇輻射環境中，載子的有效複合面積閣較大，受著的負面影響比 PNP 看電晶體閣較顯示。佇一寡特殊的應用場合，如核反應爐抑是太空飛行器內底的電子控制系統內底，著愛採用特殊的手段解電離輻射帶來的負面效應。

==結構==

一个雙極性電晶體由三个無仝款的摻雜半導體區域組成，𪜶分別是射極區域、基極的區域佮集極的區域。這个所在 NPN 型電晶體中分別是 N 型、P 型和 N 型半導體，啊若佇咧 PNP 型電晶體中則分別是 P 型、N 型和 P 型半導體。每一个半導體區域攏有一个引跤端接出，通常用字母'''E'''、'''B'''和'''C'''來表示射極（Emitter）、 基極（Base）佮集極（Collector）。

基極的物理位置佇射極佮集極之間，伊由輕輕仔透濫、高電阻率的材料製作。集極包圍著基極區域，因為集極接面顛倒向偏壓，電子足歹按遮予人注入到基極的區域，按呢就造成共基極電流增益 $ \ alpha $ 等於一，而共射極電流增益 $ \ beta $ 取得較大的數值。對正爿這个典型 NPN 雙極性電晶體的截面簡圖會當看出，集極接面的面積大於射極接面。此外，射極具有相當懸的濫雜濃度。: 二十八佇通常的情況下，雙極性電晶體的幾个區域佇物理性質、幾何 sài-sù 頂懸並毋著稱。假使連接佇電路內面的電晶體佇順向主動區，若是這个時陣共電晶體集極佮射極佇電路當中的連接相換，會使電晶體離開順向主動區，進入顛倒向工作區。電晶體的內部結構決定矣伊適合佇咧順向主動區食頭路，所以顛倒向工作區的共基極電流增益 $ \ alpha $ 佮共射極電流增益 $ \ beta $ 比電晶體佇順向主動區的時陣細漢上濟。這種功能頂懸的毋是稱，根本上是因為射極佮集極的摻雜程度無仝。所以，佇咧 NPN 型電晶體中，就算講集極佮射極攏為著 N 型透濫，但是二者的電學性質佮功能完全袂當相換。射極區域濫雜的程度上懸，集極區域次之次，基極的區域透濫程度上低。此外，三个區域的物理尺度嘛有無仝款，其中基極區域足薄，並且集極面積大過射極面積。因為雙極性電晶體有這款的物質結構，所以會當為集極接面提供一个顛倒向偏壓，猶毋過按呢做的前提是這个顛倒向偏壓袂使過大，致使電晶體損害。對射極進行重濫雜的目的是為著增加射極電子注入到基極區域的效率，從而實現盡量懸的電流增益。: 三十三五十四佇雙極性電晶體的共射極接法內，施加佇基極、射極兩爿電壓的小可仔變化，攏會造成射極佮集極之間的電流發生顯著變化。利用這一性質，會當放大輸入的電流抑是電壓。共雙極性電晶體的基極當做是輸入端，集極當做輸出端，會當利用戴維南定理分析這个二埠網路。: 九十二九十七喔利用等效的原理，會當將雙極性電晶體看做是電壓控制的電流源，嘛會當共其看做電流控制的電壓源。此外，對二埠頭的網路倒爿看入去，基極處的輸入阻抗減小到基極電阻 $ R _ { \ text { B } } $ 的 $ 一 / ( 一 + \ beta ) $，按呢就降低矣對前一級電路的負載能力的要求。: 一百十三

===NPN 型===

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 型濫雜區域佮介於二者之間的一層 P 型透半導體（基極）組成。輸入去到基極的微小電流將被放大，較大的集極-射極電流。當 NPN 型電晶體基極電壓懸於射極電壓，並且集極電壓懸於基極電壓，是電晶體參在順向放大的狀態。佇這个狀態內底，電晶體集極佮射極之間存在電流。被放大的電流，是射極注入到基極區域的電子（佇基極的區域為少數載子）， 佇電場的推動之下漂徙到集極的結果。因為電子徙動率比電空搬徙率較懸，: 九十三自按呢這馬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倒䆀，基極佮射極之間的箭頭表示射極電流方向。: 六十四

===PNP 型===

雙極性電晶體的另外一種類型做 PNP 型，由兩層 P 型濫雜區域佮介於二者之間的一層 N 型透濫半導體組成。流經基極的微小電流會當佇射極端得著放大。也就是講，當 PNP 電晶體的基極電壓低於射極的時，集極電壓低於基極，電晶體處順向主動區的所在。

佇雙極性電晶體電學符號內底，基極佮射極之間的箭頭指向電流的方向，遮的電流為電子流動的反方向。佮 NPN 型倒反，PNP 型電晶體的箭頭按射極指向基極。: 一百空二

===異質接面雙極性電晶體===

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，伊有高速做工課的能力。研究發現，這種電晶體會當處理頻率懸到幾百 GHz 的超高頻訊號，所以伊適用佇射頻功率放大、雷射驅動等對工課速度要求苛刻的應用。

異質接面是 PN 接面的一種，這種結的兩爿由無仝款的半導體材料製作。佇咧這種雙極性電晶體內底，射極接面通常採用異質接面結構，即射極區域採用真禁帶材料，基極區域是採用狹禁帶材料。捷看的異質接面用砷化又閣（GaAs）製造基極的區域，用 a-lú-mih-ua-sá-bih-砷固溶體（AlxGa 一-xAs）製造射極的區域。: 一百空一採用按呢的異質接面，雙極性電晶體的注入效率會用得著提升，電流增益 $ \ beta $ 嘛會當提懸幾个數量級。

採用異質接面的雙極性電晶體基極區域的透濫濃度會當大幅度提升，按呢就會當降低基極電極的電阻，閣有利於降低基極區域的闊度。: 一百空一佇傳統的雙極性電晶體，即同質結電晶體內底，射極到基極的載子注入效率主要是由射極佮基極的摻雜比例決定的。佇這个情形下，為著得著較懸的注入效率，必須愛對基極區域來進行輕和雜，按呢就袂當避免地使增大矣基極電阻。

如倒爿的示意圖，$ \ Delta \ phi _ { \ text { p } } $ 代表電空對基極的區域到達射極區域跨越的勢差；而且 $ \ Delta \ phi _ { \ text { n } } $ 是代表電子對射極區域到基極區域跨越的勢差。因為射極接面具有異質接面的結構，會使得 $ \ Delta \ phi _ { \ text { p } } > \ Delta \ phi _ { \ text { n } } $，對提懸了射極的注入效率。佇咱基極的區域裡，半導體材料的組分分佈袂齊，造成緩變的基極區域禁帶闊度，其梯度做了 $ \ Delta \ phi _ { \ text { G } } $ 表示。這一勻變禁帶闊度，會當為少數載子提供一个內在電場，使𪜶加速通過基極區域。這个漂移運動會佮擴散運動產生協同作用，減少電子通過基極區域的渡越時間，從而改善雙極性電晶體的高頻性能。: 一百空一鼻一百空二就算講有真濟無仝款的半導體會當用來構成異質接面電晶體，矽-枋異質接面電晶體佮 a-lú-mih-新化腰異質接面電晶體閣較捷用。製造異質接面電晶體的製程為晶體影晶技術，比如講金屬有機物的氣相白牌（Metalorganic vapour phase epitaxy , MOCVD）佮分子束縛晶。

==工作區==

會當根據電晶體三个終端的偏壓狀態，會用得定義雙極性電晶體幾若个無仝款的工作區。佇咧 NPN 型半導體中（注意：PNP 型電晶體佮 NPN 型電晶體的電壓描述拄好倒反）， 揤極接面（基極-射極接面）、 集極接面（基極-集極接面）偏壓的狀況，工作區會當分做

*'''順向主動區'''（抑是簡稱'''主動區'''）： 做射極接面順向偏壓，集極接面顛倒向偏壓時，電晶體工課佇咧主動區。大多數雙極性電晶體的設計目標，是為著欲佇順向主動區得著上大的共射極電流增益 $ \ beta _ { \ text { F } } $。電晶體的工課佇這區域的時陣，集極-射極電流和基極電流近成線性關係。因為電流增益的緣故，當基極電流發生微細的擾動時，集極-射極電流將產生較為著欲變化。
*'''顛倒向主動區'''：若共頂懸處理順向主動區電晶體射極接面、集極接面的偏壓電壓相換，則雙極性電晶體將工課佇咧顛倒向主動區。佇這種工作的模式當中，射極佮集極區域扮演的角色佮順向主動區里拄好倒反，毋過因為電晶體集極的透濫濃度低於射極，顛倒向主動區產生的效果佮向主動區並無相𫝛。大多數的雙極性電晶體的設計目標是雖然可能得著上大順向放大電流增益，所以，顛倒向主動區的電流增益會比順向主動區遮的中小一寡（佇常規的交電晶體當中是二鋪三倍）。 實際上，這種工作模式強欲採用矣，但是為著防止錯誤接法造成元件損害抑是其他的危險，設計的時陣著愛予考慮。此外，有一寡類型的雙極性邏輯裝置嘛會考慮顛倒向主動區的情形。
*'''飽和區'''：當雙極性電晶體中兩个 PN 接面攏因為順向偏壓時，伊就共處理予飽和區，這陣，電晶體射極到集極的電流達到上大值，就算增加基極電流，輸出的電流嘛袂閣再增加。飽和區會當佇邏輯裝置內底用來表示高電平。
*'''截止區'''：若雙極性電晶體兩个 PN 接面的偏壓情況佮飽和區拄好倒反，遐爾仔電晶體會佇咧截止區。佇這種工作模式下底，輸出電流非常的細（小功率的矽電晶體小於一微安，增電晶體小於幾十微安）， : 三十三佇數位邏輯內底會當用來表示低電平。
*'''突敗馬'''：當施加佇集極接面上的顛倒向偏壓共超過集極接面所會當承受範圍的時陣，這乎 PN 接面將被激破，如果電流得夠大會造成元件損蕩。

此外，分析、設計雙極性電晶體電路的時陣，閣應當注意袂當超過雙極性電晶體的'''上大集極耗散功率'''$ P _ { \ text { CM } } $。若電晶體的工作功率細於這數值，遮的工作狀態的集合稱做'''安全工課區'''。若電晶體的工作功率超過這个限度，將造成元件溫度超過正常的範圍，元件的性能將產生比較大的變化，甚至講造成拍歹。: 三十五矽電晶體允准的結溫度介於一百五十攝氏度佮兩百攝氏度之間。會當通過降低內底熱阻、使用散熱片佮引入風寒、水冷、油冷等等措施來提懸上大允准了散功率。: 一百四十七實際上，欲講工作區之間並無絕對的界限，咧較細電壓變化（小於幾百毫伏）範圍內底，頂懸講著的無仝區域之間可能有一定的相疊。

===處佇主動區的雙極性電晶體===

倒爿這幅示意圖，畫出了一个由兩个電壓源提供偏壓的 NPN 型電晶體，圖中箭頭代表電流的方向（電子流動的這个方向）。 為著使電晶體會當佇集極佮射極之間傳導較大的電流（差不多一毫安的數量級）， $ V _ { \ text { BE } } $ 著愛超過某一个的上小值，使電晶體被導通，這个上小值定予人號做「引通電壓」。 佇咧室溫下跤，矽雙極性電晶體的導通電壓通常為六百五十毫伏左右，毋過這項參數也綴電晶體的具體類型變化。偏壓電壓 $ V _ { \ text { BE } } $ 予圖內底下跤的 PN 面被導通，電子會當對射極擴散到基極。做電晶體佇咧主動區的所在，基極佮集極之間的電場（源於 $ V _ { \ text { CE } } $）會當使大部份湠到基極的電子繼續通過圖中上方的 PN 接面（射極接面）， 以漂移作用進入集極，按呢就形成集極電流 $ I _ { \ text { C } } $。賰的電子佮基極區域的多數載子（即電洞）發生複合，對這个形成基極電流 $ I _ { \ text { B } } $。會當看出講，射極電流 $ I _ { \ text { E } } $ 是流經電晶體的總電流，伊是基極、集極輸入電流的總和，即 $ I _ { \ text { E } }=I _ { \ text { B } } + I _ { \ text { C } } $。: 三十一電晶體工課佇主動區的時陣，集極電流 $ I _ { \ text { C } } $ 佮基極電流 $ I _ { \ text { B } } $ 的比值予人叫做直流電流增益。直流電流增益的數值會當隨溫度變化，毋過佇有的電路設計當中，毋免依賴其精確值（請參見運算放大器的例）。 直流電流增益以參數 $ h _ { \ text { FE } } $ 表示，交流訊號增益是以 $ h _ { \ text { fe } } $ 表示（參見後壁的 h 參數模型）。 若無特別考慮佇無仝款的頻率下的電流增益，即電流變化 $ \ delta I _ { \ text { B } } $ 無啥大的時陣，定用符號 $ \ beta $ 來代表電流增益。: 三十一另外值得注意的是，射極電流 $ I _ { \ text { E } } $ 佮 $ V _ { \ text { BE } } $ 成指數關係。咧放大器，基極電流和集極電流近成線性關係，所以兩者的變化趨勢相仝。

PNP 型雙極性電晶體的狀況佮 NPN 型電晶體類似，猶毋過分析的時陣應注意，其相應的電壓值恰好倒反。

==理論模型==

下跤的將以 NPN 型雙極性電晶體做例進行探討，PNP 型電晶體的原理類似。當 NPN 看電晶體順向主動區的時陣，伊的基極-射極電壓 $ V _ { \ text { BE } } $、集極-基極電壓 $ V _ { \ text { CB } } $ 攏為正值，即射極接面為順向偏壓，集極接面為顛倒向偏壓。佇主動區內底，電子對 N 型透濫的射極區域予人注入到 P 型的基極區域。佇基極，電子一方面漂徙到 N 型透濫的集極，一方面佮基極區域的多數載子電空發生複合。

===大訊號模型===

====艾伯斯-不要而已模型====

一九五四年，約翰 ・ 不要而已（John L . Moll）、 朱威爾 ・ 艾伯斯（Jewell James Ebers）提出關於電晶體電流的數學模型。做電晶體佇咧主動區的時陣，射極佮集極的直流電流會當利用近若像艾伯斯-不要而已模型（簡稱：EM 模型）來講。假使電晶體為細注入的情形，並且忽略爾利效應，按呢艾伯斯-莫爾方程會當表達為 : 兩百十八


: $ I _ { \ text { E } }=I _ { \ text { ES } } \ left ( e ^ { \ frac { V _ { \ text { BE } } } { V _ { \ text { T } } } } 影一 \ right ) $


: $ I _ { \ text { C } }=\ alpha _ { F } I _ { \ text { E } } $


: $ I _ { \ text { B } }=\ left ( 一-\ alpha _ { F } \ right ) I _ { \ text { E } } $

基極區域內部的電流主要是因為擴散作用，而且


: $ J _ { n \ , ( { \ text { base } } ) }={ \ frac { qD _ { n } n _ { bo } } { W } } e ^ { \ frac { V _ { \ text { EB } } } { V _ { \ text { T } } } } $

遮

* $ V _ { \ text { T } } $ 為熱電壓，伊的數值等於 $ kT / q $（佇三百開爾文時大約是二十六毫伏）
* $ I _ { \ text { E } } $ 為射極電流
* $ I _ { \ text { C } } $ 為集極電流
* $ \ alpha _ { \ text { F } } $ 為這个共基極電流增益，大約是佇咧空七八到空九九八之間
* $ I _ { \ text { ES } } $ 為基極-射極接面上的顛倒向飽和電流（其數量級佇咧十 − 十五到十 − 十二安培之間）
* $ V _ { \ text { BE } } $ 為基極-射極電壓
* $ D _ { \ text { n } } $ 為 P 型區域內的電子湠開常數
* $ W $ 為基極區域寬度若需要研究電晶體佇咧任意工作區的時陣，流經電晶體三个區域的電流，會當利用下跤的嚴格艾伯斯-不要而過方程來求解。下列方程基於雙極性電晶體的輸運模型。


: $ i _ { \ text { C } }=I _ { \ text { S } } \ left ( e ^ { \ frac { V _ { \ text { BE } } } { V _ { \ text { T } } } }-e ^ { \ frac { V _ { \ text { BC } } } { V _ { \ text { T } } } } \ right )-{ \ frac { I _ { \ text { S } } } { \ beta _ { R } } } \ left ( e ^ { \ frac { V _ { \ text { BC } } } { V _ { \ text { T } } } } 影一 \ right ) $


: $ i _ { \ text { B } }={ \ frac { I _ { \ text { S } } } { \ beta _ { F } } } \ left ( e ^ { \ frac { V _ { \ text { BE } } } { V _ { \ text { T } } } } 影一 \ right ) + { \ frac { I _ { \ text { S } } } { \ beta _ { R } } } \ left ( e ^ { \ frac { V _ { \ text { BC } } } { V _ { \ text { T } } } } 影一 \ right ) $


: $ i _ { \ text { E } }=I _ { \ text { S } } \ left ( e ^ { \ frac { V _ { \ text { BE } } } { V _ { \ text { T } } } }-e ^ { \ frac { V _ { \ text { BC } } } { V _ { \ text { T } } } } \ right ) + { \ frac { I _ { \ text { S } } } { \ beta _ { F } } } \ left ( e ^ { \ frac { V _ { \ text { BE } } } { V _ { \ text { T } } } } 影一 \ right ) $

遮

* $ i _ { \ text { C } } $ 為集極電流
* $ i _ { \ text { B } } $ 為基極電流
* $ i _ { \ text { E } } $ 為射極電流
* $ \ beta _ { F } $ 為順向共射極電流增益（介於這个二十到五百之間）
* $ \ beta _ { R } $ 為著顛倒向共射極電流增益（介於零到二十之間）
* $ I _ { \ text { S } } $ 為著湖向飽和電流（其數量級介於十 − 十五到十 − 十二安培之間）
* $ V _ { \ text { T } } $ 為熱電壓，佇三百開爾文時大約是二十六毫伏
* $ V _ { \ text { BE } } $ 為基極-射極電壓
* $ V _ { \ text { BC } } $ 為基極-集極電壓

====而已利效應====

佇理想的雙極性電晶體共射極接法中，若電晶體咧做工課佇咧主動區，遐爾仔集極電流 $ I _ { \ text { C } } $ 烏白集極-射極電壓 $ V _ { \ text { CE } } $ 改變，即 $ I _ { \ text { C } } $ 曲線斜率做零（請參見雙極性電晶體的輸出特性曲線）。 毋過，實際上的狀況是，$ I _ { \ text { C } } $ 會隨著 $ V _ { \ text { CE } } $ 的增加按呢增加，這種現象是因為爾利效應（抑是講基極區域闊度調變效應）。 : 一百十六根據研究，電流增益 $ \ beta _ { \ text { F } } $ 嘛隨 $ V _ { \ text { CE } } $ 變化。會當根據下跤的公式對頂懸述效應進行計算 : 三百一十七


: $ I _ { \ text { C } }=I _ { \ text { S } } exp ( { \ frac { V _ { \ text { BE } } } { V _ { \ text { T } } } } ) ( 一 + { \ frac { V _ { \ text { CE } } } { V _ { \ text { A } } } } ) $


: $ \ beta _ { \ text { F } }=\ beta _ { \ text { F 零 } } ( 一 + { \ frac { V _ { \ text { CE } } } { V _ { \ text { A } } } } ) $

遮

* $ V _ { \ text { CE } } $ 是集極-射極電壓
* $ V _ { \ text { T } } $ 是熱電壓，其數值為 $ kT / q $
* $ V _ { \ text { A } } $ 是厄利電壓（介於十五伏特到一百五十積特）
* $ \ beta _ { \ text { F 零 } } $ 是 $ V _ { \ text { CB } }=零 $ 時，雙極性電晶體處佇咧共射極接法的電流增益

====古梅爾-潘電荷控制模型====

古梅爾-潘模型是一種詳細描述雙極性電晶體動力學的電荷控制模型，: 八百二十七孵八百五十二藉助這个模型，比通常的較基於總爿（terminal-based）模型閣較詳細探究電晶體的內部動力原理。該模型閣指出，電晶體的參數 $ \ beta $ 佮流經電晶體的硞硞流電流有關係，這門參數佇艾伯斯-莫爾模型中捌予人認為是佮電流無關係。: 五百空九古梅爾-潘模型包含的參數是誠濟，伊的直流模型包括多達到十八个參數，並且參數之間定定有非線性的關係，因此研究當中需要藉助計算機。: 兩百二十八

===小訊號模型===

====透濫 π 模型====

透濫 $ \ pi $ 模型是小訊號的情形下對雙極性電晶體的線性二埠網絡近親像，這个模型考慮著電晶體中射極接面、集極接面的結電容佇相對高頻的情形下的影響，伊使用小訊號基極-射極電壓 $ v _ { be } $ 佮集極-射極電壓 $ v _ { \ text { ce } } $ 做自變量，小訊號基極電流 $ i _ { \ text { b } } $ 佮集極電流 $ i _ { \ text { c } } $ 做因為因變量。: 十三孵五 , 十三分一九正圖所示為雙極性電晶體的一个基本的低頻混合 $ \ pi $ 模型示意圖，佇圖內底

* $ g _ { m }={ \ frac { i _ { \ text { c } } } { v _ { \ text { be } } } } { \ Bigg | } _ { v _ { \ text { ce } }=零 }={ \ frac { I _ { \ text { C } } } { V _ { \ text { T } } } } $ 為電晶體佇簡化模型里的跨導，其單位是西門子 : 兩百四十二 , 六百八十二


: 遮
* $ I _ { \ text { C } } $ 為電晶體的靜態集極電流（嘛予人稱做集極偏壓抑是直流集極電流）
* $ V _ { \ text { T } }={ \ begin { matrix } { \ frac { KT } { q } } \ end { matrix } } $ 為熱電壓，伊通過波爾茲曼常數 $ K $、基本電荷 $ q $ 佮電晶體的溫度 $ T $（以開爾文為單位）求會得。

* $ r _ { \ pi }={ \ frac { v _ { \ text { be } } } { i _ { \ text { b } } } } { \ Bigg | } _ { v _ { \ text { ce } }=零 }={ \ frac { \ beta _ { \ text { 零 } } } { g _ { m } } }={ \ frac { V _ { \ text { T } } } { I _ { \ text { B } } } } $，以歐姆為單位


: 遮
* $ \ beta _ { \ text { 零 } }={ \ frac { I _ { \ text { C } } } { I _ { \ text { B } } } } $ 為低頻電流增益（通常以 $ h _ { \ text { FE } } $ 表示。遮，$ I _ { \ text { B } } $ 為靜態基極電流。逐个電晶體攏有對應的 $ \ beta _ { \ text { 零 } } $，伊佮集極電流大細有關係。這項參數會當佇數據手冊查閱。

* $ r _ { \ text { O } }={ \ frac { v _ { \ text { ce } } } { i _ { \ text { c } } } } { \ Bigg | } _ { v _ { \ text { be } }=零 }={ \ frac { V _ { \ text { A } } + V _ { \ text { CE } } } { I _ { \ text { C } } } } \ approx { \ frac { V _ { \ text { A } } }{ I _ { \ text { C } } } } $ 為爾利效應致使的輸出電阻，$ V _ { \ text { A } } $ 為爾利效應電壓。

====h 參數模型====

佇低頻小訊號的狀況里，猶閣會用得 $ h $ 參數模型來分析雙極性電晶體電路，伊嘛是共電晶體看做一个二埠網絡。該模型以輸入電流佮輸出電壓為自變量，對閣來會出遮的效電路模型。: 九十六利用這種方法，會當較會當分析雙極性電晶體佇電路內底的行為。佇正圖內底，符號 $ x $ 代表無仝的電晶體引跤，需要根據電晶體無仝的接法來確定。對這種共射極接法，

* $ x $ 予人替換做 $ e $
* 總是總是基極一等於是
* 總是二相當於是集極
* 總是三不止仔射極
* $ i _ { \ text { i } } $ 為輸入的基極電流
* $ i _ { \ text { o } } $ 為輸出的集極電流
* $ V _ { \ text { i } } $ 為輸入的基極-射極電壓
* $ V _ { \ text { o } } $ 為輸出的集極-射極電壓對應的一組 h 參數為

* $ h _ { \ text { ix } }=h _ { \ text { ie } } $ 為電晶體的輸入阻抗（等於是基極電阻）
* $ h _ { \ text { rx } }=h _ { \ text { re } } $ 為電晶體 $ I _ { \ text { B } } $ 佮 $ V _ { \ text { BE } } $ 關係隨在 $ V _ { \ text { CE } } $ 的變化關係，這項參數的數值通常足細，所以攏會使失覺察。
* $ h _ { \ text { fx } }=h _ { \ text { fe } } $ 為電晶體的共射極電流增益，也就是交流小訊號分析下的交流電流增益，也就是講 $ \ beta _ { \ text { AC } } $。也若直直流分析（大訊號分析）落來的 $ h _ { \ text { FE } } $ 是照直流（DC）電流增益（即數據手冊的 $ \ beta _ { \ text { DC } } $）。
* $ h _ { \ text { ox } }=一 / h _ { \ text { oe } } $ 為電晶體的輸出阻抗。參數 $ h _ { \ text { oe } } $ 通常雙極性電晶體輸出導納，使用的時需要通過對伊求倒數轉換做阻抗。

$ h $ 參數模型中採用小寫字母下標的電學量表示𪜶為交流的，這意味對 $ h $ 模型完全會當用來分析雙極性電晶體佇咧較高頻率的性質。對直流的情形，採用大寫字母來標示遮的參數。

==參見==

==參考文獻==

'''引用'''

'''冊目'''
: * 施敏；伍國吱；譯者：張鼎張、劉柏村。半導體元件物理學 ( 上冊 ) . 臺灣：國立交通大學 . 二千空八堵八堵一 [兩千空八] . ISBN  九百七十八八九百八十六曲八百四十三孵九百五十一孵一（中文）.  （繁體中文）
* 施敏；伍國吱；譯者：張鼎張、劉柏村。半導體元件物理學 ( 下冊 ) . 臺灣：國立交通大學 . 二千空九九四配十四 [二千空九] . ISBN  九百七十八八八百有九百八十六鼻八百四十三鼻九百五十四鼻二（中文）.  （繁體中文）

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