雙極結型電晶體（bipolar junction transistor, bjt）是最早出現的具有放大功能的三端半導體器件，自2023年誕生以來，一直在高速電路、模擬電路和功率電路中佔據著主導地位，因此，雙極結型電晶體也是我們學習的重點。通常所說的電晶體就是指雙極結型電晶體。
§ 2.1 電晶體的結構
1．電晶體的基本結構
bjt是由靠得很近的兩個pn結構成的半導體器件。bjt一般包含npn或pnp三個區域，前者稱為npn電晶體，後者稱為pnp電晶體，這兩種電晶體及其電路符號如圖所示。發射極、基極和集電極分別用英文本母e、b、c表示，發射區和基區之間的pn結稱為發射結，集電區和基區之間的pn結稱為集電結。
基區的寬度必須遠遠小於該層材料種少數載流子的擴散長度，否則就成了兩個背靠背的獨立pn結。
2．均勻基區電晶體和緩變基區電晶體
在電晶體內部，載流子在基區中的傳輸過程是決定電晶體許多效能（如電流增益、頻率特性等）的重要環節。而在基區寬度確定之後，基區雜質分布是影響載流子基區輸運過程的關鍵因素。儘管電晶體有很多製造工藝，但在理論上分析其效能時，為了方便起見，通常根據電晶體基區的雜質分布情況不同，將電晶體分為均勻基區電晶體和緩變基區電晶體。
本章將重點介紹均勻基區電晶體一些特性原理。
（1）均勻基區電晶體
均勻基區電晶體的基區雜質是均勻分布的，在這類電晶體中，載流子在基區內的傳輸主要靠擴散機理進行，所以又稱為擴散型電晶體。其中合金法製造的電晶體就是典型的均勻基區電晶體，合金管（如鍺pnp合金管）的製造工藝和雜質分布如圖所示。在n型鍺片的一面放上受主雜質銦鎵（ⅲ族元素）球做發射極，另一面放上銦球做集電極，經燒結冷卻後而形成pnp結構。
（2）緩變基區電晶體
緩變基區電晶體的基區雜質分布是緩變的，這類電晶體的基區存在自建電場，載流子在基區除了擴散運動外，還存在漂移運動且往往以漂移運動為主，故也稱為漂移電晶體。用各種擴散法製造的電晶體可以看著是緩變基區電晶體。
下圖表示了一種緩變基區電晶體的製造過程和雜質分布。在n型矽片上生長一層sio2膜，在氧化膜上光刻出乙個視窗，進行硼（ⅲ族元素）擴散，形成p型基區，然後在此p型層的氧化膜上再光刻乙個視窗，進行高濃度的磷（ⅴ族元素）擴散，得到n型發射區，並用鋁蒸發工藝以製出基極與發射極的引出電極，n型基片則用做集電極。
矽片表面全都被擴散層和氧化層所覆蓋，像乙個平面一樣，所以這種工藝製出的電晶體又稱為平面電晶體，是目前生產的最主要的一種電晶體。
§ 2.2 四種工作模式
本章主要以均勻基區的n+pn電晶體為例來討論電晶體的各項效能指標引數，並假設：
① 發射區和集電區寬度遠大於少子擴散長度，基區寬度遠小於少子擴散長度；
② 發射區和集電區電阻率足夠低，外加電壓全部降落在勢壘區，勢壘區外無電場；
③ 發射結和集電結空間電荷區寬度遠小於少子擴散長度，且不存在載流子的產生與復合；
④ 各區雜質均勻分布，不考慮表面的影響，且載流子僅做一維傳輸；
⑤ 小注入，即注入的非平衡載流子濃度遠小於多子濃度；
⑥ 發射結和集電結為理想的突變結，且面積相等。
根據發射結和集電結所處偏壓的不同，電晶體有四種工作模式。如圖所示，我們令為基極對發射極的電壓，基極對集電極的電壓，下面介紹四種工作模式及其少子的分布。
1．正向有源模式：，
少子的分布如圖所示，少子邊界條件為
其中，→發射區熱平衡少子空穴濃度；
→基區熱平衡少子電子濃度；
→集電區熱平衡少子空穴濃度。
2．反向有源模式：，
少子的分布如圖所示，少子邊界條件為
3．飽和模式：，
少子的分布如圖所示，少子邊界條件為
4．截止模式：，
少子的分布如圖所示，少子邊界條件為
§ 2.3 電晶體的電流放大原理
電晶體工作在正向有源模式下（，）具有放大電訊號的功能，這是電晶體最主要的作用。單個pn結只具有整流作用而不能放大電訊號，但是當兩個彼此很靠近的pn結形成電晶體時，兩個結之間就會相互作用而發生載流子交換，電晶體的電流放大作用正是通重載流子的輸運體現出來的。
1．平衡電晶體的能帶
在電晶體的三個端不加外電壓時（即平衡狀態下），電晶體具有統一的費公尺能級，其能帶和載流子的分布如圖（a）所示。
（a）平衡電晶體的能帶b）非平衡電晶體的能帶
2．正向有源模式下的能帶
電晶體處於放大模式下的能帶和少子分布如圖所示。
由於發射結正偏，勢壘降低了，電子將從發射區向基區注入，空穴將從基區向發射區注入，基區出現過量電子，發射區出現過量空穴。過量載流子濃度取決於發射結偏壓的大小和摻雜濃度。當基區寬度很小（遠遠小於電子的擴散長度）時，從發射區注入到基區的電子除少部分被復合掉外，其餘大部分能到達集電結耗盡層邊緣，集電結處於反向偏壓，集電結勢壘增加了。
來到集電結的電子被電場掃入集電區，成為集電極電流。這個注入電子電流遠大於反偏集電結所提供的反向飽和電流，是集電極電流的主要部分。如果在集電極迴路中接入適當的負載就可以實現訊號放大。
從以上分析可見，基區寬度很窄是電晶體實現放大作用的必要條件之一。如果基區較寬（大於電子擴散長度），注入到基區的過量電子在到達集電結之前被復合殆盡，此時電晶體是兩個背靠背的pn，不可能有放大作用。
3．電流分量
下圖表示處於放大狀態的npn電晶體內的各電流分量。發射極和基極處於輸入迴路，基極和集電極處於輸出迴路，基極作為公共端，這種連線方法稱為共基極接法。
（1）發射極電流
發射極電流由三部分組成：① 從發射區注入到基區中的電子擴散電流，這股電流大部分能夠傳輸到集電極，成為集電極電流的主要部分；② 從基區注入到發射區的空穴擴散電流，這股電流對集電極電流無貢獻，且還是基極電流的一部分；③ 發射結空間電荷區耗盡層內的復合電流，這部分電流很小，根據假設通常不考慮。所以有
（2）基極電流
基極電流由四部分組成：① 發射結正偏，由基區注入到發射區的空穴擴散電流；② 基區復合電流，它代表進入基區的電子與空穴復合形成的電流；③ 集電結反偏的反向飽和電流，這部分電流是由少子的漂移形成，通常要比和小很多；④ 發射結空間電荷區耗盡層內的復合電流（很小忽略）。所以有
（3）集電極電流
集電極電流主要有兩部分：① 擴散到集電結邊界的電子擴散電流，這些電子在集電結電場作用下漂移，通過集電結空間電荷區，變為電子漂移電流，它是一股反向大電流，是集電極電流的主要部分；② 集電結反向漏電流。所以有
根據以上各關係式，可得
由此可見，總的發射極電流等於到達集電極的電子電流和通過基極流入的空穴電流之和。一只好的電晶體，與十分接近，而很小（例如只有的1％～2％）。
4．電晶體的直流－電壓關係
上面定性地分析了電晶體載流子的傳輸過程，各電流的形成和它們的基本關係，那麼這些電流與器件的結構引數、材料引數及外加電壓又是什麼關係呢？從上面分析可知，只要求出、、、的關係式，就可方便地得到電晶體各端電流與電壓的關係式了，下面將分別討論。
（1）求
是從發射區注入到基區的電子在基區擴散形成的電流。根據假定，基區寬度（）遠小於少子電子在基區中的擴散長度，則少子電子通過基區由於復合而損失的那部分是很小的，基區電子可近似看成線性分布（如圖中虛線）。根據pn結理論，由圖可知，中性基區邊界處和處電子濃度分別為
其中為基區平衡少子電子濃度，則可得基區電子線性分布函式為
根據pn結理論（見pn結那一章），並考慮到，可得到
（其中將換成了）
（2）求
是由基區注入發射區的空穴擴散電流。在發射區，少子空穴濃度呈指數分布，且發射區寬度遠大於少子擴散長度，所以根據pn結理論，直接可以得到
發射結空間電荷區邊界處少子空穴濃度為
注入發射區的空穴擴散電流為
式中，→發射區空穴擴散長度；→發射區空穴擴散係數。
（3）求
是由發射區注入基區中的電子與基區中的空穴復合形成的電流。從前面的討論知道，電子在擴散通過基區的過程中要與空穴復合，基區中積累的注入電子數目決定了基區復合電流的大小。基區復合電流就是指單位時間內基區中復合的電子數與電子電荷量之積，或者說單位時間內基區中復合的總電子電荷量，即的大小為
（為基區中電子壽命）
在基區很窄、電子分布為線性的假設下，基區中積累的注入電子總數，大致等於載流子線性濃度分布曲線下的面積，即
所以（4）求
是由於集電結反偏，少子漂移形成的反向電流，它由電子漂移電流和空穴漂移電流兩部分組成，即。根據反偏pn結的理論，可得
（因，將換成）
所以有時）
（5）各電流分量、、
以上各式描述了電晶體的各電流與外加偏壓、電晶體的結構引數、工藝引數和製作電晶體的材料引數之間的關係，是分析電晶體其它效能引數的基礎。
5．電晶體的直流電流放大係數
（1）電流放大係數的定義
1）共基極電流放大係數
右圖給出了共基極接法，其特點是基極作為輸入和輸出的公共端。共基極直流電流放大係數定義為集電極輸出電流與發射極輸入電流之比，即
表徵從發射極輸入的電流中有多大比例傳輸到集電極成為輸出電流，或者說發射極發射的電子有多大比例傳輸到了集電極。越大，說明電晶體的放大效能越好。在共基極電路中，通過控制，總是小於（相差），可見小於1。
但是，效能良好的電晶體的是很接近於1的。雖然共基極接法的電晶體不能放大電流，但由於集電極允許接入阻抗較大的負載，所以仍能夠獲得電壓放大和功率放大。
2）共發射極電流放大係數
右圖給出了共發射極接法，其特點是發射極作為輸入和輸出的公共端。
共發射極直流電流放大係數定義為集電極輸出電流與基極輸入電流之比，即
也是電晶體的重要引數之一。共發射極電路是用去控制以實現電流放大的。
3）與的關係
根據，有
因為非常接近於1，所以就遠大於1。由此可以看出，的微小變化將引起的很大變化，因而電晶體具有電流放大能力。電晶體（對於npn電晶體）要具有放大能力，必須滿足下列條件：
① 發射區高摻雜，能發射大量的電子；
② 基區低摻雜且基區寬度很窄，減少電子的復合損失；
③ 電晶體處於正向有源工作模式下，即：發射結正偏，發射電子；集電結反偏，收集電子。
（2）發射效率和基區輸運係數
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