[科普中国]-复合晶体管-

复合晶体管，指在IC中，常常把几个晶体管连接起来而构成具有一定功能的晶体管；在分析时一般是把它们当作一个整体来处理。常用的复合晶体管有达林顿（Darlington）晶体管、CC-CE复合管、复合p-n-p晶体管等。

晶体管的原理渗透原理为了说清二极管和三极管原理，我们先来做一个实验。在一瓶水中滴入一滴墨水，即使我们不再搅动它，经过一段时间的放置，整瓶水也会全部变成墨水的颜色。这是因为在流体中，物质高浓度高的一方总是会向着物质低浓度的一方进行渗透扩散。在水中，墨水的浓度是低浓度，而水的浓度为高浓度，所以水就往墨水中渗透。而在墨水中，水的浓度是低浓度，墨水的浓度为高浓度，所以墨水就往水中渗透。

掺杂经过切片后的单晶硅并不是接上线就能成为集成电路和三极管的，而是要经过很多个工序才能最终完成。第一道工序就是掺杂。为了制成二极管、三极管，掺杂是绝对必要的。现在我们就来看下二极管、三极管是怎么做成的。

PN结上面说过经过切片后的单晶硅需要掺入杂质，但杂质不等同于垃圾，此杂质也非单晶硅提纯前的彼杂质。用于二极管、三极管集成电路的单晶硅，掺入的是高纯度单质磷和高纯度的单质硼。掺杂的方法目前普遍用的是扩散法，掺杂的量也是需要严格控制的，不能多也不能少。否则就会影响元件的性能，甚至成为废品。

在一块单晶硅掺入磷（当然也可掺入砷等其他五价元素）后，就形成了N型半导体。由于磷是五价的，也就是说磷原子的最外层有五个电子。这五个电子跟相邻的硅原子最外层的四个电子形成共价键后，还多一个电子，而这个多出来的电子与磷原子和硅原子的结合力就会弱很多。所以，这个多出来的电子就成为比较容易移动的“自由电子”。这样一来，这块半导体的导电性能就大大地增强了。我们再用相同的方法，在另一块单晶硅中掺入三价的硼原子，掺有硼原子的半导体就是P型半导体。由于P型半导体中的硼原子最外层只有三个电子，这三个电子与相邻的硅原子形成共价键时少一个电子。这样，这个原子就形成了一个空穴，而这个空穴容易从其他原子中得到一个电子。但这样失去电子的原子又形成了空穴，这样，这些空穴也跟自由电子一样变成了一个“自由空穴”。1

达林顿（Darlington）晶体管达林顿晶体管是由两个n-p-n晶体管组合而成的一种复合晶体管（见图1）；其中第一个BJT（T1）是CC组态（射极跟随器），第二个BJT（T2）是CE组态。从功能上来说，该达林顿晶体管实际上它也就等效于一个CE组态的n-p-n晶体管（极性与T2管相同）。

因为作为射极跟随器的T1和发射极接地的T2这两个晶体管都具有很大的电流增益，因此达林顿晶体管的总电流增益也就更大（总增益等于T1和T2的电流增益的乘积）。达林顿晶体管的输入电阻是由较高的T1的输入电阻与其后面的折合电阻串联而成的，故达林顿晶体管的输入电阻也很高。正因为达林顿晶体管具有很大的电流增益和很高的输入电阻，所以它在IC中得到了广泛的应用。

但是，达林顿晶体管也有若干不足之处。其一是输出电阻很低（因为射极跟随器T1的输出电阻很低，故复合管的输出电阻比单个晶体管的还要低）；其二是跨导很小，这是由于其输入电阻很高，以致输入电压的变化难以引起输出电流发生较大变化的缘故；其三是达林顿晶体管的频率特性较差，因为其中T1的集电结势垒电容是一个Miller电容的缘故。其四是多采用了一个晶体管（两个晶体管起着一个晶体管的作用），这在IC中即增加了所占用芯片的面积；然而，构成达林顿管的两个晶体管可以放置在一个隔离区中（因为它们的集电极是连接在一起的，电位相同），这对于集成又是有利的。2

CC-CE复合管这种复合晶体管也是由两个n-p-n晶体管构成的（见图2），第一个BJT（T1）是CC组态（射极跟随器），第二个BJT（T2）是CE组态，总的可等效为一个CE组态的n-p-n晶体管（极性与T2管相同）。该复合晶体管与达林顿晶体管的差别仅在于T1的集电极不与T2的集电极相连接。这一接法上的小小改动，却对于提高复合晶体管的频率特性大有好处，因为这时T1的集电结势垒电容就不再是Miller电容了；而且该复合晶体管的其它性能参数（输入电阻、电流增益和跨导等）都与达林顿晶体管的相同，并且输出电阻还有所提高（这时的输出电阻就等于T2的输出电阻）。因此CC-CE复合管在IC中大有用武之地。

复合p-n-p晶体管这是把CE组态的p-n-p晶体管（T1）与CC组态的n-p-n晶体管（T2）组合起来构成的一种复合器件（见图3），其功能就相当于一个p-n-p晶体管。其中的T1和T2都具有较大的电流增益，则复合器件的总电流增益大大提高（等于两个晶体管的增益的乘积）；复合器件的总输入电阻就等于T1的输入电阻，但总的输出电阻却因为T2的输出电阻很低而被大大降低了；又，复合器件的总跨导也随着电流增益的提高而得到了很大的提高。

这种复合器件在IC中具有重要意义。因为通过这种组合可以把横向p-n-p晶体管（具有较小的电流增益）的电流增益大大提高，以满足使用的要求。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所