| 双极型晶体管的应用范围 |
| 晶体管的工作原理 |
| 与 CMOS 技术相比 |
| 发射器电流边缘收集效果 |
| Application range of bipolar transistors |
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什么是双极晶体管
•双极晶体管是由三层精确掺杂的半导体材料组成的电子元件。这种器件在工程技术领域通常被称为半导体晶体管或晶体管，因为它具有三个独立的电极结构。为了便于后续的讨论和理解，本文将统一使用专业术语“晶体管”来表达。
晶体管的工作原理
•在放大状态下，晶体管中载流子的传输过程，当晶体管在放大区工作时，其发射结处于正向偏置状态，而集流结处于反向偏置状态。在这种工作模式下，晶体管内部载流子的运动规律及其电流传输机制可以通过下图所示的示意图来详细解释。
（1）注入发射区基区的电子电流IEP远小于发射极电子电流IEN（IEP<<IEN），因此发射极电流IE主要由IEN决定，即IE≈IEN。
（2）电子在基极区扩散过程中与空穴结合，形成基区复合电流 IBN，形成基极电流 IBN 的主要成分。
（3）电子在集电极结场的作用下被集电极结场收集，形成集电极集电极电流ICN，形成集电极电流ICN，形成集电极电流IC的主要元件。
（4）在反向偏置条件下，少数载流子的漂移运动导致反向饱和电流 ICBO 的产生。
•在晶体管中，狭窄的基极区域将发射器结和集流体结紧密耦合，因此，当正向偏置时，发射器结产生的几乎所有正向电流都传输到反向偏置的集流体结回路。这一特性是晶体管实现放大功能的核心机制。
与 CMOS 技术相比
•双极晶体管工艺在高性能模拟电路领域具有得天独厚的优势，可以实现MOS器件难以实现的精密仿真功能。它具有高速、高跨导、优异的器件匹配特性、精确的电压和良好的温度稳定性，这些都是高性能模拟电路设计追求的关键指标。然而，双极型晶体管的版图设计复杂度明显高于MOS器件，并且存在一些CMOS工艺中不存在的失效机制。因此，尽管双极晶体管在模拟性能方面具有优势，但现代模拟集成电路设计倾向于采用 CMOS 工艺。
发射器电流边缘收集效果
•发射极电流边缘收集效应导致发射极边缘区域的电流密度显著增加，从而降低了发射极结的有效利用面积。
•这种效应来自 NPN 晶体管的基极电阻的影响，具体包括发射区下方基极区域的横向扩散电阻和发射区周边基极区域的横向电阻。由于基极电流在基极区域内横向流动，因此基极电阻上会出现电压降，导致发射区域正下方的基极区域中点的电位分布不均匀：基极区域边缘附近的电位较高，并且随着与基极区域距离的增加，电位逐渐减小。这种电位分布的不均匀性导致发射结面上各点的注入电流密度不同，且基区边缘附近的电流密度相对较大，导致发射极电流主要集中在靠近基区的发射结一侧。
•解决方案
在 NPN 晶体管布局设计中，简单地增加发射面积无法实现发射极电流的逐年增加。设计重点应以优化发射极周长与面积的比值为上，即通过增加发射区的周长来提高电流驱动能力。为此，可以使用梳状布局结构，并将每个机架设计为细长的形状。但是，考虑到发射极金属线的电阻效应，需要权衡机架的大小：太长不会导致电阻过大，太细也不会影响工艺的可实现性和可靠性。
Application range of bipolar transistors
•In hi-fi sound system, television receiving device and broadcast receiving device
•In the fields of industrial robots, smart power tools and automotive electronic control systems
•In household appliances (such as air conditioners, refrigerators) that require precise temperature regulation and industrial automation control systems
•In the field of precision medical instruments, such as electrocardiogram monitoring equipment, anesthesia workstations and electrical nerve stimulation devices
•In the field of aerospace science and technology, including the research and development and application of aircraft, artificial satellites and launch vehicles, as well as the design and deployment of high-performance computing equipment and network communication systems.
