熟透双极性晶体管（BJT) 轻松做手机射频PA

前言

首先介绍了双极性晶体管（BJT）的工作原理，接着演示了晶体管的伏安（I-V）特性，电流增益（current gain）和输出电导（conductance）。高能注入和重掺杂带来的能带狭窄也会介绍到。

解释了SiGe晶体管、度越时间、截止频率的基本概念。另外介绍一些BJT的晶体管模型，比如Ebers-Moll，smal-signal和charge control模型。每一个模型都有各自的应用范围。

BJT双极性集体管是在1948年由坐落在美国新泽西的贝尔电话实验室发明的。BJT是第一个量产的晶体管，领先于MOSFET十年多。大约在1968年，当金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）被发明后，MOSFET迅速凭借高密度低功耗的优势，超越了BJT。

但是，在一些高频率和模拟领域，BJT依然是更好的选择，这是因为BJT具有高速、低噪声和高输出功率的特点。大家比较熟悉的手机射频放大器都是采用BJT。补充说明：高密度互补MOS芯片，如果集成了少量的BJT，这种一般叫做BiCMOS技术。

双极性Bipolar表示在BJT工作过程中，电子和空穴都参与了。事实上，在PN结中，少数派的载流子起到了关键作用。结（Junction）表示PN junction对于BJT的工作起到了至关重要的作用。

介绍BJT

组成BJT的是重掺杂的发射极（emitter），P型的基极（base）和一个N型的集电极（collector）。这类器件叫做NPN BJT。

类似，一个PNP BJT有一个P+发射极，N型的base和P型的collector。相比于PNP的三极管，NPN的三极管表现出更高的跨导和速度，这是因为电子相对于空穴移动速度更快。所以行业内一般说BJT，指的就是NPN型。

（a）NPN BJT的示意图和正常电压极性

（b）从发射极注入到基极的电子决定了集电极电流Ic

（c）Ic基本上被VBE决定，对于VCB不敏感

当base-emitter发射结正偏，电子就被注入到了轻度掺杂的base。他们扩散到反向偏置的base-collector结（耗尽层边缘），最后进入集电极。这就产生了集电极电流Ic。只要是VCB是反向偏置的（或者小信号正偏），那么Ic就和VCB没有关联。从emitter注入到collector的电子比率决定了Ic，或者说由VBE决定。一般在PN 二极管中，这个注入比率大概和下面的表达式成比例。

从图（c）中可以很明显看到这个结论。

通常发射极会直接接到地。这里的emitter和collector类似于MOSFET里面的source（源） 和drain（漏）。base类似gate（栅）。Ic电流相对于VCE的图例请参考下图。

（a）共射架构

（b）Ic vs VCE

（c）可以采用IB来作为参数

（d）NPN电路符号

当VCE约等于0.3V，base-collector正偏，Ic下降。因为寄生电阻下降，很难精确评估base-emitter结电压，所以一般测量IB。下回我们来讨论Ic和IB的比例关系。

致谢

全文翻译自George Mason University的半导体器件基础。原作者拥有全部版权。