集成NPN晶体管的beta值

晶体管的电流放大能力等于集电极电流比上基极电流。这个比值有很多名字，包括电流增益和beta。不同的作者又对它也使用不同的符号，包括β和h_FE。一个典型的集成NPN晶体管的beta值是大约等于150。某些特殊的器件的beta的值可能超过10000。晶体管的beta取决于图1.20中的两种复合过程。

基极复合主要发生在两个耗尽区之间的基极区，这个区叫neutral base 区。有三个因素影响基极区的复合率：neutral base的宽度，基区掺杂和复合中心的浓度。薄的基区缩短了少数载流子需要穿越的距离，同时也降低了复合的可能性。同样的，轻掺杂的基区因为较低的多数载流子的浓度而使复合的可能性降低。Gummel number Q_B能同时反应这些效果。它是通过沿着横贯neutral base区的一条线集成杂质原子浓度计算出来的。在均匀掺杂的情况下，Gummel number等于基区杂质浓度乘以neutral base的宽度。Beta 和Gummel number成反比。

晶体管的开关速度主要和基区中能多快地去除过剩少数载流子有关。去除的方法要么通过基极引线端要么通过复合。有时故意在双极型晶体管中掺杂金来增加复合中心的数量。提高的复合率能帮助加快晶体管的开关速度，但它也同时降低了晶体管的beta。由于低beta，很少有模拟集成电路中用掺杂金工艺的。

双极型晶体管通常用轻掺杂的基极和重掺杂的发射极。这么做是为了保证大多数的穿过基极－发射极结的由载流子组成的电流能从发射极注入基极，而不是相反。重掺杂提高了发射极的复合率，但这个效果有限因为只有很少的载流子被注入发射极。注入发射极的电流和注入基极电流的比值被称为emiter injection efficiency。

大多数NPN晶体管使用宽的，轻掺杂的集电极，重掺杂的发射极和薄的，适度掺杂的基极。轻掺杂的集电极在neutral base中能形成一个宽的耗尽区。这样就能不用雪崩击穿集电极－基极结而获得一个比较高的集电极工作电压。不对称掺杂的发射极和集电极也解释了为什么双极型晶体管在对调这两端后会工作不正常。（9 这个仅仅是部分的原因，当它处于reverse active模式时有效基区宽度也增大了。）beta为150的典型的集成NPN晶体管的reverse beta小于5。这个差别主要是因为轻掺杂的集电极代替重掺杂的发射极引起的剧烈的emitter injection efficiency的降低。

Beta也和集电极电流有关。Beta会因为低的漏电流和耗尽区的低复合率而降低。当有适当的电流时，这些因素就不重要了，晶体管的beta上升到一个以上讨论的机制决定的峰值。大的集电极电流产生high-level injection效应而使beta roll off。当基极中少数载流子的浓度接近多数载流子的浓度时，会有额外的多数载流子积累来维持电荷平衡。这些额外的基极多数载流子降低了emitter injection efficiency，反过来它又降低了beta。大多数晶体管工作在一个适度的电流下而避免beta roll-off， 但功率晶体管由于尺寸限制必须经常工作在high-level injection下。

PNP管和NPN管很相似。相同尺寸和掺杂程度的PNP管的beta小于NPN管，因为空穴的移动能力比电子低。多数情况下，PNP管的表现很差，因为NPN管有做过优化，而PNP没有。比如，NPN管基极区的材料经常被用来制造PNP管的发射极。因此终的发射极相对来说都是轻掺杂的，emitter injection efficiency很低，在适当的电流状态下也会发生high-level injection。除了这些缺点，PNP管也是非常有用的器件，大多数双极型工艺也能生产他们。