双极性晶体管

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图中为各种双极性电晶体。通过比较左边的刻度尺，可以直观地感知这些元件的尺寸。

双极性电晶体（英语：bipolar transistor），全称双极性接面型电晶体（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极体，是一种具有三个终端的电子元件。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，后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。[3]:95

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于载子在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。在基极区域，电洞为多数载子，而电子少数载子。由于基极区域很薄，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。[4]:30[5]:35

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，[6]:48，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，并被广泛地应用于航太工程、医疗器械和机器人等应用产品中。[6]:48

通断（传递讯号）时的双极电晶体表现出一些延迟特性。大多数电晶体，尤其是功率电晶体，具有长的储存时间，限制操作处理器的最高频率。一种方法用于减少该存储时间是使用Baker clamp。

发展及应用

1947年12月，贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿在威廉·肖克利的指导下共同发明了点接触形式的双极性电晶体。[7]1948年，肖克利发明了采用接面型构造的双极性电晶体。[8]在其后的大约三十年时间内这种元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，锗电晶体的使用多于矽电晶体。矽电晶体截止电压通常为0.5至 1V，锗电晶体的截止电压更小，通常约0.2V，这使得锗电晶体适用于某些应用场合例如高灵敏度的设备。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。[9]

锗电晶体的一个主要缺点是它容易产生热失控。[10]由于锗的禁带宽度较窄[11]，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[10]，因此大多数现代的双极性电晶体是由矽制造的[12]。采用矽的另外一个原因是容易形成稳定的二氧化矽，二氧化矽与其他金属之间的粘性也大，容易制作电子元件[13]。

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电晶体。砷化镓的电子移动率为矽的5倍，[14]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，有利于高温下进行的加工。[14]化合物电晶体通常可以应用于高速元件。

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，由于基极-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。[15]根据基极-射极电压与基极-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。

随着人们对于能源问题的认识不断加深，场效应管（例如互补式金属氧化物半导体）技术凭借更低的功耗，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。[6]:48-49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元件，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。[6]:48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）。[6]:53-54

基本原理

参见：PN接面、扩散作用和漂移速度
图中左边的蓝色区域为射极，中间绿色区域为基极，右边蓝色区域为集极。灰色的箭头为电子的流动方向示意，射极注入的大部分电子移动到了集极，少部分在基极与电洞复合。白色箭头为基极的多数载子电洞的流动方向示意。NPN型双极性电晶体处于顺向主动区的条件是：在射极接面上具有顺向偏压，而集极接面具有逆向偏压。

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，射极接面（基极与射极之间的PN接面）处于顺向偏压状态，而集极接面（基极与集极之间的PN接面）则处于逆向偏压状态。[4]:29-30在没有外加电压时，射极接面N区的电子（该区域的多数载子）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。[16]:161-162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，而电子则为少数载子。

从射极被注入到基极区域的电子，一方面与这里的多数载子电洞发生复合，另一方面，由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄，并且集极接面处于逆向偏压状态，大部分电子将通过漂移运动抵达集极区域，形成集极电流。[3]:35为了尽量缓解电子在到达集极接面之前发生的复合，电晶体的基极区域的厚度必须远小于电子的扩散长度（diffusion length，参见菲克定律），使得载子扩散所需的时间短于半导体少数载子的寿命。在现代的双极性电晶体中，基极区域厚度的典型值为十分之几微米。[17]:347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。[5]:33-34

分析方法

集极-射极电流可以视为受基极-射极电流的控制，这相当于将双极性电晶体视为一种「电流控制」的元件。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」的元件。事实上，这两种思考方式可以通过基极-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。[18]

从基极区域的少数载子浓度出发，可以解释集极的载子流动。[18][19][20]:12如果双极性电晶体为小注入，即通过某些物理过程（如光注入或电注入）引入的非平衡载子（excess carrier，或称「过剩载子」）比热平衡时的多数载子少得多，[16]:126-127双极性扩散（即非平衡多数载子和少数载子以相同速率流动）速率实际上由非平衡少数载子决定。另外，双极性电晶体处理高频讯号的能力还受限于基极区域载子的渡越时间。[20]:12

人们曾经建立过多种数学模型，用来描述双极性电晶体的具体工作原理。例如，古梅尔–潘模型（Gummel–Poon Model）提出，可以利用电荷分布来精确地解释电晶体的行为。[21]上述有关电荷控制的观点可以处理有关光电二极体的问题，这种二极体基极区域的少数载子是通过吸收光子（即上一段提到的光注入）产生的。电荷控制模型还能处理有关关断、恢复时间等动态问题，这些问题都与基极区域电子和电洞的复合密切相关。然而，由于基极电荷并不能轻松地在基极引脚处观察，因此，在实际的电路设计、分析中，电流、电压控制的观点应用更为普遍。

在类比电路设计中，有时会采用电流控制的观点，这是因为在一定范围内，双极性电晶体具有近似线性的特征。在这个范围（下文将提到，这个范围叫做「主动区」）内，集极电流近似等于基极电流的倍，这对人们分析问题、控制电路功能有极大的便利。在设计有的基本电路时，人们假定射极-基极电压为近似恒定值（如），这时集极电流近似等于基极电流的若干倍，电晶体起电流放大作用。

然而，在真实的情况中，双极性电晶体是一种较为复杂的非线性元件，如果偏压电压分配不当，将使其输出讯号失真。此外，即使工作在特定范围，其电流放大倍数也受到包括温度在内的因素影响。为了设计出精确、可靠的双极性电晶体电路，必须采用电压控制的观点（例如后文将讲述的艾伯斯-莫尔模型）。[18]电压控制模型引入了一个指数函数来描述电压、电流关系，在一定范围内，函数关系为近似线性，可以将电晶体视为一个电导元件。这样，诸如差动放大器等电路的设计就简化为了线性问题，所以近似的电压控制观点也常被选用。对于跨导线性（translinear）电路，研究其电流-电压曲线对于分析元件工作十分关键，因此通常将它视为一个跨导与集极电流成比例的电压控制模型。

目前，电晶体级别的电路设计主要使用SPICE或其他类似的类比电路仿真器进行，[17]:300-302因此对于设计者来说，模型的复杂程度并不会带来太大的问题。但在以人工分析类比电路的问题时，并不总能像处理经典的电路分析那样采取精确计算的方法，因而采用近似的方法是十分必要的。[5]:3

主要参数

电流放大参数

参见：共射极和共基极
双极性电晶体的共射极接法
双极性电晶体的共基极接法

射极扩散到基极的电子，大部分都能够漂移到集极，剩下的电子与基极区域的电洞发生载子复合。成功抵达集极的电子浓度占射极扩散出来的电子总浓度的比值，是衡量双极性电晶体效率的一项重要指标。由于射极区域为重掺杂，基极区域为轻掺杂，所以从射极被注入到基极的电子浓度大于从基极注入到射极的电洞浓度。下面将讨论双极性电晶体在电路中以射极或基极为公共端时的电流放大倍数。

如果电晶体采用共射极接法，输入电流为基极电流，输出电流为集极电流，当射极接面顺向偏压、集极接面不施加偏压时，电晶体的共射极直流短路电流增益可以表示为集极电流与基极电流的比值[1]:85

如果集极从无偏压变为逆向偏压，那么与的比值称为共射极静态电流增益，它的表达式为[1]:85

对于小讯号模型中的电晶体，的数值通在20到200之间，[5]:36不过在一些为高功率应用设计的电晶体中，它可能会更小一点。

如果电晶体采用共基极接法，输入电流为发无线电流，输出电流为集极电流，当射极接面顺向偏压、集极接面不施加偏压时，电晶体的共基极直流短路电流增益可以表示为集极电流与射极电流的比值[1]:84-85

如果集极从无偏压变为逆向偏压，那么与的比值称为共基极静态电流增益，它的表达式为[1]:84-85

上述两个参数可以通过下面的公式相互转换（在NPN型电晶体中）[4]:32

当对低频的交流小讯号进行近似分析时，也可以采用上述直流参数。[4]:34如果需要更高的精确度，就必须虑及双极性电晶体中的结电容效应带来的影响。当讯号电压的频率达到一定程度后，电流的放大倍数将会下降。[4]:35

功率参数

双极性电晶体的最大集极耗散功率是元件在一定温度与散热条件下能正常工作的最大功率。在条件相同的情况下，如果实际功率大于这一数值，电晶体的温度将超出最大许可值，使元件性能下降，甚至造成物理损坏。[4]:35[1]:147

极限电流和极限电压

当集极电流增大到一定数值后，虽然不会造成双极性电晶体的损坏，但是电流增益会明显降低。为了使电晶体按照设计正常工作，需要限制集极电流的数值。除此之外，由于双极性电晶体具有两个PN接面，因此它们的逆向偏压电压不能够过大，防止PN接面逆向击穿。[4]:35-36双极性电晶体的数据手册都会详细地列出这些参数。

当功率双极性电晶体集极的逆向偏压电压超过一定数值，并且流经电晶体的电流超出在一定允许范围之内，使得电晶体功率大于二次击穿临界功率就会产生一种被称为「二次击穿」的危险现象。在这种情况里，超出设计范围的电流将造成元件内部不同区域的局部温度不均衡，部分区域的温度高于其他区域。因为掺杂的矽具有负的温度系数（temperature coefficient），所以当它处于较高的温度时，其导电性能更强。这样，较热部分就能传导更多的电流，这部分电流会产生额外的热能，造成局部温度将超过正常值，以致于元件不能正常工作。二次击穿是一种热失控，一旦温度升高，电导率将进一步提升，从而造成恶性循环，最终严重损毁电晶体的结构。整个二次击穿过程只需要毫秒或微秒量级的时间就可以完成。[1]:151

如果双极性电晶体集极接面提供超出允许范围的逆向偏压，并不对流经电晶体的电流进行限制，射极接面将发生突崩溃，也会造成元件损坏。[4]:16

温度漂移

作为一种类比的元件，双极性电晶体的所有参数都会不同程度地受温度影响，特别是电流增益。据研究，温度每升高1摄氏度，大约会增加0.5%到1%。[5]:41

抗辐射能力

双极性电晶体对电离辐射较为敏感。如果将电晶体置于电离辐射的环境中，元件将因辐射而受到损害。产生损害是因为辐射将在基极区域产生缺陷，这种缺陷将在能带中形成复合中心（recombination centers）。这将造成元件中起作用的少数载子寿命变短，进而使电晶体的性能逐渐降低。NPN型双极性电晶体由于在辐射环境中，载子的有效复合面积更大，受到的负面影响比PNP型电晶体更显著。[22]在一些特殊的应用场合，如核反应炉或太空飞行器中的电子控制系统中，必须采用特殊的手段缓解电离辐射带来的负面效应。

结构

NPN型双极性电晶体的截面简图

一个双极性电晶体由三个不同的掺杂半导体区域组成，它们分别是射极区域、基极区域和集极区域。这些区域在NPN型电晶体中分别是N型、P型和N型半导体，而在PNP型电晶体中则分别是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来表示射极（Emitter）、基极（Base）和集极（Collector）。

基极的物理位置在射极和集极之间，它由轻掺杂、高电阻率的材料制成。集极包围着基极区域，由于集极接面逆向偏压，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。从右边的典型NPN型双极性电晶体的截面简图可以看出，集极接面的面积大于射极接面。此外，射极具有相当高的掺杂浓度。[4]:28

在通常情况下，双极性电晶体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电晶体位于顺向主动区，如果此时将电晶体集极和射极在电路中的连接互换，将使电晶体离开顺向主动区，进入逆向工作区。电晶体的内部结构决定了它适合在顺向主动区工作，所以逆向工作区的共基极电流增益和共射极电流增益比电晶体位于顺向主动区时小得多。这种功能上的不对称，根本上是缘于射极和集极的掺杂程度不同。因此，在NPN型电晶体中，尽管集极和射极都为N型掺杂，但是二者的电学性质和功能完全不能互换。射极区域的掺杂程度最高，集极区域次之，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，并且集极面积大于射极面积。由于双极性电晶体具有这样的物质结构，因此可以为集极接面提供一个逆向偏压，不过这样做的前提是这个逆向偏压不能过大，以致于电晶体损坏。对射极进行重掺杂的目的是为了增加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。[5]:33-34

KSY34型高频NPN电晶体实体中已固定好的晶粒，基极和射极通过线焊方式经由细金属线（金线或铝线等，本图为铝线）引出，集极则由晶粒底部连接金属底座引出。

在双极性电晶体的共射极接法里，施加于基极、射极两端电压的微小变化，都会造成射极和集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。把双极性电晶体的基极当做输入端，集极当做输出端，可以利用戴维南定理分析这个二埠网络。[23]:90-97利用等效的原理，可以将双极性电晶体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，从二埠网络的左边看进去，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。[4]:113

NPN型

NPN型双极性电晶体的结构
NPN型和PNP型双极性电晶体的符号，NPN型的箭头指向外侧，PNP型的箭头指向内侧。

NPN型电晶体是两种类型双极性电晶体的其中一种，由两层N型掺杂区域和介于二者之间的一层P型掺杂半导体（基极）组成。输入到基极的微小电流将被放大，产生较大的集极-射极电流。当NPN型电晶体基极电压高于射极电压，并且集极电压高于基极电压，则电晶体处于顺向放大状态。在这一状态中，电晶体集极和射极之间存在电流。被放大的电流，是射极注入到基极区域的电子（在基极区域为少数载子），在电场的推动下漂移到集极的结果。由于电子移动率比电洞迁移率更高，[16]:93因此现在使用的大多数双极性电晶体为NPN型。

双极性电晶体的电学符号如左图，基极和射极之间的箭头表示射极电流方向。[24]:64

PNP型

双极性电晶体的另一种类型为PNP型，由两层P型掺杂区域和介于二者之间的一层N型掺杂半导体组成。流经基极的微小电流可以在射极端得到放大。也就是说，当PNP型电晶体的基极电压低于射极时，集极电压低于基极，电晶体处于顺向主动区。

在双极性电晶体电学符号中，基极和射极之间的箭头指向电流的方向，这里的电流为电子流动的反方向。与NPN型相反，PNP型电晶体的箭头从射极指向基极。[24]:102

异质接面双极性电晶体

主条目：异质接面双极性电晶体
在图中的异质接面双极性电晶体中，基极区域的能隙分布不均匀有利于少数载子（电子）通过基极区域。图中浅蓝色表示空乏层。

异质接面双极性电晶体（heterojunction bipolar transistor）是一种改良的双极性电晶体，它具有高速工作的能力。研究发现，这种电晶体可以处理频率高达几百GHz的超高频讯号，因此它适用于射频功率放大、雷射驱动等对工作速度要求苛刻的应用。[25][26][27]

异质接面是PN接面的一种，这种结的两端由不同的半导体材料制成。在这种双极性电晶体中，射极接面通常采用异质接面结构，即射极区域采用宽禁带材料，基极区域采用窄禁带材料。常见的异质接面用砷化镓（GaAs）制造基极区域，用铝-镓-砷固溶体（AlxGa1-xAs）制造射极区域。[1]:101采用这样的异质接面，双极性电晶体的注入效率可以得到提升，电流增益也可以提高几个数量级。

采用异质接面的双极性电晶体基极区域的掺杂浓度可以大幅提升，这样就可以降低基极电极的电阻，并有利于降低基极区域的宽度。[1]:101在传统的双极性电晶体，即同质结电晶体中，射极到基极的载子注入效率主要是由射极和基极的掺杂比例决定的。在这种情况下，为了得到较高的注入效率，必须对基极区域进行轻掺杂，这样就不可避免地使增大了基极电阻。

如左边的示意图中，代表电洞从基极区域到达射极区域跨越的势差；而则代表电子从射极区域到达基极区域跨越的势差。由于射极接面具有异质接面的结构，可以使，从而提高了射极的注入效率。在基极区域里，半导体材料的组分分布不均，造成缓变的基极区域禁带宽度，其梯度为以表示。这一缓变禁带宽度，可以为少数载子提供一个内在电场，使它们加速通过基极区域。这个漂移运动将与扩散运动产生协同作用，减少电子通过基极区域的渡越时间，从而改善双极性电晶体的高频性能。[1]:101-102

尽管有许多不同的半导体可用来构成异质接面电晶体，矽-锗异质接面电晶体和铝-砷化镓异质接面电晶体更常用。制造异质接面电晶体的制程为晶体磊晶技术，例如金属有机物气相磊晶（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束磊晶。

工作区

电压 射极接面偏压 集极接面偏压 工作模式
NPN型
E < B < C 顺向 逆向 顺向-放大
E < B > C 顺向 顺向 饱和
E > B < C 逆向 逆向 截止
E > B > C 逆向 顺向 逆向-放大
PNP型
E < B < C 逆向 顺向 逆向-放大
E < B > C 逆向 逆向 截止
E > B < C 顺向 顺向 饱和
E > B > C 顺向 逆向 顺向-放大
图示为双极性电晶体的输出特性曲线。
注意：为了清晰地示意物理量，曲线中物理量的比例可能与实际情况有一定差别。
蓝色虚线左边的区域为饱和区（Saturation）；由蓝色虚线、红色虚线和棕色虚线包围的区域为主动区（Active），在这个区域里，射极电流与基极电流成近似线性关系；红色虚线下方表示电晶体尚未导通，处于截止区（Cut-off）；为开启电晶体的最小基极电流；图中棕色虚线为电晶体的最大集极耗散功率，它与两条座标轴包围的区域为安全工作区，与横轴的交点为最大集极-基极电压。

可以根据电晶体三个终端的的偏压状态，可以定义双极性电晶体几个不同的工作区。在NPN型半导体中（注意：PNP型电晶体和NPN型电晶体的电压描述恰好相反），按射极接面（基极-射极接面）、集极接面（基极-集极接面）的偏压情况，工作区可以分为为

  • 顺向主动区（或简称主动区）：当射极接面顺向偏压，集极接面逆向偏压时，电晶体工作在主动区。大多数双极性电晶体的设计目标，是为了在顺向主动区得到最大的共射极电流增益。电晶体工作在这一区域时，集极-射极电流与基极电流近似成线性关系。由于电流增益的缘故，当基极电流发生微小的扰动时，集极-射极电流将产生较为显著变化。
  • 逆向主动区：如果把上述处于顺向主动区电晶体射极接面、集极接面的偏压电压互换，则双极性电晶体将工作在逆向主动区。在这种工作模式中，射极和集极区域扮演的角色与顺向主动区里正好相反，但是由于电晶体集极的掺杂浓度低于射极，逆向主动区产生的效果与顺向主动区并不相同。大多数双极性电晶体的设计目标是尽可能得到最大顺向放大电流增益，因此，逆向主动区中的电流增益会比顺向主动区中小一些（在常规的锗电晶体中大约是2-3倍）。实际上，这种工作模式几乎不被采用，但是为了防止错误接法造成元件损坏或其他危险，设计时必须予以考虑。此外，有些类型的双极性逻辑装置也会考虑逆向主动区的情况。[28]
  • 饱和区：当双极性电晶体中两个PN接面均处于顺向偏压时，它将处于饱和区，这时，电晶体射极到集极的电流达到最大值，即使增加基极电流，输出的电流也不会再增加。饱和区可以在逻辑装置中用来表示高电平。
  • 截止区：如果双极性电晶体两个PN接面的偏压情况与饱和区恰好相反，那么电晶体将处于截止区。在这种工作模式下，输出电流非常小（小功率的矽电晶体小于1微安，锗电晶体小于几十微安），[4]:33在数位逻辑中可以用来表示低电平。
  • 突崩溃：当施加在集极接面上的逆向偏压将超过集极接面所能承受范围时，这个PN接面将被击穿，若电流足够大会造成元件损坏。

此外，分析、设计双极性电晶体电路时，还应当注意不能超过双极性电晶体的最大集极耗散功率。如果电晶体的工作功率小于这一数值，这些工作状态的集合称为安全工作区。如果电晶体的工作功率超过这个限度，将造成元件温度超过正常范围，元件的性能将产生较大的变化，甚至造成损坏。[4]:35矽电晶体允许的结温度介于150摄氏度和200摄氏度之间。可以通过降低内热阻、使用散热片和引入风冷、水冷、油冷等措施来提高最大允许耗散功率。[1]:147

实际上，上述工作区之间并没有绝对的界限，在较小电压变化（小于几百毫伏）范围内，上面提到的不同区域之间可能有一定的重叠。

处于主动区的双极性电晶体

NPN型电晶体的连接图

左边这幅示意图，绘出了一个由两个电压源提供偏压的NPN型电晶体，图中箭头代表电流的方向（电子流动的反方向）。为了使电晶体能够在集极和射极之间传导较大的电流（大约1毫安的数量级），必须超过某个的最小值，使电晶体被导通，这个最小值常被称为「导通电压」。在室温下，矽双极性电晶体的导通电压通常为650毫伏左右，不过这项参数也随着电晶体的具体类型变化。偏压电压使图中下方的PN接面被导通，电子能够从射极扩散到基极。当电晶体处于主动区，基极和集极之间的电场（源于）可以使大部分扩散到基极的电子继续通过图中上方的PN接面（射极接面），以漂移作用进入集极，这样就形成了集极电流。剩余的电子与基极区域的多数载子（即电洞）发生复合，从而形成基极电流。可以看出，射极电流是流经电晶体的总电流，它是基极、集极输入电流的总和，即。[4]:31

电晶体工作在主动区时，集极电流与基极电流的比值被称为直流电流增益。直流电流增益的数值可以随温度变化，不过在有的电路设计中，并不需要依赖其精确值（请参见运算放大器的例子）。直流电流增益以参数表示，而交流讯号增益则以表示（参见后面的h参数模型）。如果没有特别考虑在不同频率下的电流增益，即电流变化不太大的时候，常用符号来代表电流增益。[4]:31

另外值得注意的是，射极电流与成指数关系。在放大器，基极电流与集极电流近似成线性关系，所以二者的变化趋势相同。

PNP型双极性电晶体的情况与NPN型电晶体类似，不过分析时应注意，其相应的电压值恰好相反。

理论模型

下面的将以NPN型双极性电晶体为例进行探讨，PNP型电晶体的原理类似。当NPN型电晶体处于顺向主动区时，它的基极-射极电压、集极-基极电压均为正值，即射极接面为顺向偏压，集极接面为逆向偏压。在主动区内，电子从N型掺杂的射极区域被注入到P型的基极区域。在基极，电子一方面漂移到到N型掺杂的集极，一方面与基极区域的多数载子电洞发生复合。

大讯号模型

艾伯斯-莫尔模型

NPN型双极性电晶体的艾伯斯-莫尔模型示意图[29]:903（其中：, , 分别为基极电流、集极电流、射极电流；, 分别为集极接面和射极接面的结电流；, 分别为顺向/逆向共基极电流增益。
PNP型双极性电晶体的艾伯斯-莫尔模型示意图
NPN型电晶体在顺向主动区的近似艾伯斯-莫尔模型示意图，集极接面为逆向偏压，因此几乎为零。射极接面电流大部分都来源于集极（接近1），从而对基极电流进行放大。

1954年，约翰·莫尔（John L. Moll）、朱威尔·艾伯斯（Jewell James Ebers）提出了关于电晶体电流的数学模型。当电晶体处于主动区时，射极和集极的直流电流可以利用近似艾伯斯-莫尔模型（简称：EM模型）来描述。假设电晶体为小注入的情况，并且忽略尔利效应，那么艾伯斯-莫尔方程可以表达为[1]:218

基极区域内部的电流主要是由于扩散作用，且

这里

  • 为热电压，它的数值等于（在300开尔文时大约为26毫伏）
  • 为射极电流
  • 为集极电流
  • 为共基极电流增益，大约在0.98至0.998之间
  • 为基极-射极接面上的逆向饱和电流（其数量级在10−15到10−12安培之间）
  • 为基极-射极电压
  • 为P型区域内的电子扩散常数
  • 为基极区域宽度

如果需要研究电晶体在任意工作区时，流经电晶体三个区域的电流，可以利用下面的严格艾伯斯-莫尔方程来求解。下列方程基于双极性电晶体的输运模型。[30]

这里

  • 为集极电流
  • 为基极电流
  • 为射极电流
  • 为顺向共射极电流增益（介于20到500之间）
  • 为逆向共射极电流增益（介于0到20之间）
  • 为逆向饱和电流（其数量级介于10−15到10−12安培之间）
  • 为热电压，在300开尔文时大约为26毫伏
  • 为基极-射极电压
  • 为基极-集极电压

尔利效应

主条目：尔利效应

在理想的双极性电晶体共射极接法中，如果电晶体工作在主动区，那么集极电流不随集极-射极电压改变，即曲线斜率为0（请参见双极性电晶体的输出特性曲线）。然而，实际情况是，会随着的增加而增加，这种现象是由于尔利效应（或称为基极区域宽度调变效应）。[3]:116根据研究，电流增益也随变化。可以根据下面的公式对上述效应进行计算[31]:317[32]

这里

  • 是集极-射极电压
  • 是热电压，其数值为
  • 是厄利电压（介于15伏特到150伏特）
  • 是时，双极性电晶体处于共射极接法的电流增益

古梅尔-潘电荷控制模型

古梅尔-潘模型是一种详细描述双极性电晶体动力学的电荷控制模型，[33]:827-852借助这个模型，可以比通常的基于终端（terminal-based）模型更为详细地探究电晶体的内部动力原理。[34]该模型还指出，电晶体的参数与流经电晶体的直流电流有关，而该参数在艾伯斯-莫尔模型中曾被认为是与电流无关。[30]:509

古梅尔-潘模型包含的参数相当多，它的直流模型包括多达18个参数，并且参数之间常常具有非线性的关系，因此研究中常常需要借助计算机。[1]:228

小讯号模型

参见：小讯号模型

混合π模型

混合模型是小讯号情况下对双极性电晶体的线性二埠网络近似，这个模型考虑了电晶体中射极接面、集极接面的结电容在相对高频情况下的影响，它使用小讯号基极-射极电压和集极-射极电压作为自变量，小讯号基极电流和集极电流作为因变量。[31]:13.5, 13.19

低频时双极性电晶体的混合模型简图

右图所示为双极性电晶体的一个基本的低频混合模型示意图，在图中

这里
  • 为电晶体的静态集极电流（也被称为集极偏压或直流集极电流）
  • 为热电压，它通过波尔兹曼常数、基本电荷以及电晶体的温度（以开尔文为单位）求得。
这里
  • 为低频电流增益（通常以表示。这里，为静态基极电流。每个电晶体都有对应的，它与集极电流大小有关。这项参数可以在数据手册中查阅。
  • 为尔利效应导致的输出电阻，为尔利效应电压。

h参数模型

通用化的NPN型双极性电晶体的h参数模型。将替换为、或可以分别用来描述CE、CB或CC组态。

在低频小讯号的情况里，还可以用参数模型来分析双极性电晶体电路，它也是将电晶体看做一个二埠网络。该模型以输入电流和输出电压为自变量，从而得出等效电路模型。[4]:96利用这种方法，可以较容易地分析双极性电晶体在电路中的行为。在右图中，符号代表不同的电晶体引脚，需要根据电晶体不同的接法来确定。对于共射极接法，

  • 被替换为
  • 终端1相当于基极
  • 终端2相当于集极
  • 终端3相当于射极
  • 为输入的基极电流
  • 为输出的集极电流
  • 为输入的基极-射极电压
  • 为输出的集极-射极电压

对应的一组h参数为

  • 为电晶体的输入阻抗（相当于基极电阻）
  • 为电晶体与关系随的变化关系，这项参数的数值通常很小，以至于可以忽略不计。
  • 为电晶体的共射极电流增益，即是交流小讯号分析下的交流电流增益，也就是。至于直流分析（大讯号分析）下的则是直流（DC）电流增益（即数据手册中的）。
  • 为电晶体的输出阻抗。参数通常相当于双极性电晶体的输出导纳，使用时需要通过对它求倒数转换为阻抗。

参数模型中采用小写字母下标的电学量表示它们为交流的，这意味着模型完全可以用来分析双极性电晶体在较高频率时的性质。对于直流的情况，则采用大写字母来标示这些参数。

参考文献

引用
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书目

参见