双极型晶体管工作原理与结构设计

双极型三极管（BJT）的出现早于集成电路，工作原理为通过基极的小电流控制发射级的大电流。在集成电路发展的早期阶段，BJT也被大量用于集成电路的设计。但是随着具有低功耗低电流特性的场效应晶体管（MOSFET）的出现，如今BJT晶体管更多被用于功率器件。相较于MOSFET，BJT所需的偏置电压更小而且导通电流更大，这种特性更适合作为大电流控制管使用。如今结合MOSFET的低控制电流与BJT的高导电性，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的概念被提出并逐渐取代BJT。

双极型晶体管有PNP和NPN两种形式。其中PNP代表集电极与发射极由硼掺杂，基极由磷缠杂，反之NPN代表集电极与发射极由磷缠杂，基极由硼掺杂。这两种形式的掺杂均保证了基极-发射极正偏与基极-集电极反偏的电学特性。

在实际的版图设计中，发射极E掺杂浓度较高，集电极C面积较大，基极B很薄。这样当基极-发射极没有电流时，集电极-发射极互相反偏不导通。当基极-发射极有电流时，发射极中的电子或空穴填满基极并到达低掺杂浓度且大面积的集电极区域。基于传统工艺的垂直式BJT都包括EPI外延层与NBL层以及上层的P阱与高浓度N掺杂区。其中NBL层强迫电流流过底部，并穿过P阱与高掺杂N区形成NPN晶体管。

BJT也可兼容CMOS工艺，如下图中的PNP晶体管为兼容CMOS工艺省去了其中的NBL层。

在基于CMOS工艺的模拟电路设计中，还需要考虑对称性以及控制电流强度的问题。基于以上的兼容设计概念，最终的集成BJT被设计为以下形式。其中的基极、集电极、发射极需要全部打通孔连接金属，并且考虑到电流强度和流向的问题，外形被设计为正方形的环绕形式。如下图为基于P型衬底的PNP管。

当在P型衬底上生产NPN型管时，不但需要P阱构成基极与发射极，还需要注入一层N阱构成集电极。