雙極型晶體管工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙極型三極管（BJT）的出現(xiàn)早于集成電路，工作原理為通過基極的小電流控制發(fā)射級的大電流。在集成電路發(fā)展的早期階段，BJT也被大量用于集成電路的設(shè)計。但是隨著具有低功耗低電流特性的場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的出現(xiàn)，如今BJT晶體管更多被用于功率器件。相較于MOSFET，BJT所需的偏置電壓更小而且導(dǎo)通電流更大，這種特性更適合作為大電流控制管使用。如今結(jié)合MOSFET的低控制電流與BJT的高導(dǎo)電性，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的概念被提出并逐漸取代BJT。

雙極型晶體管有PNP和NPN兩種形式。其中PNP代表集電極與發(fā)射極由硼摻雜，基極由磷纏雜，反之NPN代表集電極與發(fā)射極由磷纏雜，基極由硼摻雜。這兩種形式的摻雜均保證了基極-發(fā)射極正偏與基極-集電極反偏的電學(xué)特性。

在實際的版圖設(shè)計中，發(fā)射極E摻雜濃度較高，集電極C面積較大，基極B很薄。這樣當(dāng)基極-發(fā)射極沒有電流時，集電極-發(fā)射極互相反偏不導(dǎo)通。當(dāng)基極-發(fā)射極有電流時，發(fā)射極中的電子或空穴填滿基極并到達低摻雜濃度且大面積的集電極區(qū)域?；趥鹘y(tǒng)工藝的垂直式BJT都包括EPI外延層與NBL層以及上層的P阱與高濃度N摻雜區(qū)。其中NBL層強迫電流流過底部，并穿過P阱與高摻雜N區(qū)形成NPN晶體管。

BJT也可兼容CMOS工藝，如下圖中的PNP晶體管為兼容CMOS工藝省去了其中的NBL層。

在基于CMOS工藝的模擬電路設(shè)計中，還需要考慮對稱性以及控制電流強度的問題?；谝陨系募嫒菰O(shè)計概念，最終的集成BJT被設(shè)計為以下形式。其中的基極、集電極、發(fā)射極需要全部打通孔連接金屬，并且考慮到電流強度和流向的問題，外形被設(shè)計為正方形的環(huán)繞形式。如下圖為基于P型襯底的PNP管。

當(dāng)在P型襯底上生產(chǎn)NPN型管時，不但需要P阱構(gòu)成基極與發(fā)射極，還需要注入一層N阱構(gòu)成集電極。