双极晶体管的工作原理

BJT基本结构

npn BJT内部结构（可以看成是两个PN结反连）

BJT的工作（在放大模式下）依赖于发射极向基区注入少数载流子（对npn而言，是电子注入 $p$ 型基区，少子是基区的少子）

这些少子需要通过扩散穿过基区，到达集电结的边缘，并被集电结的反向偏置电场收集。

扩散过程中，少子难免会与基区中的多子发生复合，因此设计上要求==基区宽度（ $W_b$ ）必须远小于注入少子在基区内的扩散长度（ $L_n$ ）==。

理想npn掺杂浓度图

工作在放大区时，发射结 (EB) 处于正向偏置。正偏 $p-n$ 结的电流由两部分组成：电子从 $n$ 区注入 $p$ 区（ $I_{nE}$ ），以及空穴从 $p$ 区注入 $n$ 区（ $I_{pE}$ ）。

在BJT中，我们只希望电子从发射极注入基极（ $I_{nE}$ ），因为只有这部分电流才能被集电极收集。而空穴从基极注入发射极（ $I_{pE}$ ）是一种无效电流，它只构成了基极电流 $I_B$ 的一部分，降低了增益。

根据 $p-n$ 结理论，注入电流的大小与 $p-n$ 结两侧的掺杂浓度成反比。通过使发射极掺杂（ $N_{DE}$ ）远远高于基极掺杂（ $N_{AB}$ ），我们可以确保 $I_{nE} \gg I_{pE}$ 。

发射极重掺杂是实现高电流增益的前提，它保证了发射极电流 $I_E$ 几乎完全由注入基区的有效载流子构成。

两边浓度约束的中间产物。

BJT工作在放大区时，集电结 (CB) 处于反向偏置，并且通常承受系统中最大的电压，而突变结的击穿电压与轻掺杂一侧的掺杂浓度的平方根成反比。

集电极必须采用轻掺杂，使CB结的==耗尽层主要扩展到 $n$ 型集电区==。

组态名称	公共端（接地端）	输入电极	输出电极	特点
共发射极 (CE)	发射极	基极	集电极	最常用，电压/电流放大倍数都较大
共基极 (CB)	基极	发射极	集电极	频率响应好，输入阻抗低，输出阻抗高
共集电极 (CC)	集电极	基极	发射极	又称“射极跟随器”，电压放大倍数≈1，输入阻抗高，输出阻抗低

无论采用哪种接法，要想让晶体管具有电流放大作用，其内部的两个 $p-n$ 结必须处于特定的偏置状态。

发射结施加正向偏置电压：发射区才能起到向基区注入载流子的作用。
- 以npn晶体管为例，给EB结施加正向偏置，会使EB结的势垒降低。
集电结施加反向偏置电压：使集电结形成较强的电场，把集电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区收集载流子。
- 以npn晶体管为例，给CB结施加反向偏置（即 $n$ 型集电极电压 $V_C$ 远高于 $p$ 型基极电压 $V_B$ ， $V_{CB} > 0$ 或 $V_{BC} < 0$ ）。

BJT四象限工作区

工作区	工作状态与特点
正向有源区	• 起电流放大作用，具有放大功能。 • 标准的放大区。
饱和区	• VCE电压很低，约为 VCE(sat)。 • 集电结失去收集能力，无放大作用。 • 类似于闭合开关。
截止区	• 各极电流非常小（仅为漏电流）。 • 无电流通过，无放大作用。 • 类似于断开开关。
反向有源区	• 发射极和集电极功能互换。 • 由于结构不对称（NE≫NC），注入效率极低。 • 电流增益 βR非常小，性能差。