三極管(BJT)工作在飽和區(qū)為什么要求集電極正偏解析

晶體管共發(fā)射極電流放大作用的深層原理

（本文僅供參考）以下文字中，用“BJT”縮寫代指雙極型晶體管，即一般的三極管。

目前國內(nèi)的模電教科書，對BJT電流放大作用，特別是共發(fā)射極電流放大作用，存在講述不清的問題，因為要正確理解BJT共發(fā)射極電流放大作用，需要較深的半導(dǎo)體知識，已經(jīng)超出模電教學(xué)大綱的基本要求。

一般模電教科書，是先以共基極放大電路講出BJT內(nèi)部的電流分配關(guān)系，即IE=IB+IC，同時IB<<IC，然后就一步跳到共發(fā)射極放大電路，說明IB微小變化會導(dǎo)致IC較大變化，得出電流放大的結(jié)論。這一過渡不是十分自然，因為共基極放大電路只能在一定程度上說明BJT內(nèi)部的電流分配關(guān)系，但在共發(fā)射極放大電路中，從形式上看，IB是受到外部電路中的VBB和RB控制的，可以認(rèn)為IB=(VBB-VBE)/RB，其中VBE與一般二極管正向壓降一樣近似不變（對硅晶體管約為0.7V），IE=IB+IC的分配關(guān)系，并不能清晰得出“如果IB受到外部電路的控制而變化，一定會導(dǎo)致IC更大變化”這個結(jié)論，因此很多較為認(rèn)真的讀者都會在這里有“囫圇吞棗”的感覺。

要徹底理解這個問題，需要一些較深入的半導(dǎo)體相關(guān)知識。

首先說明一個PN結(jié)的基本知識，PN結(jié)兩邊的半導(dǎo)體摻雜濃度越高，PN結(jié)（指PN結(jié)耗盡層或者勢壘區(qū)）就越薄，因為摻雜濃度越高，載流子濃度也就越高，形成PN結(jié)時，擴(kuò)散過來的載流子就越容易被復(fù)合掉，載流子向另一側(cè)半導(dǎo)體的擴(kuò)散深度就越淺，導(dǎo)致PN結(jié)變薄。例如，高摻雜的穩(wěn)壓二極管PN結(jié)就比整流二極管薄，隧道二極管摻雜濃度更高，PN結(jié)更薄，進(jìn)而能導(dǎo)致“隧道效應(yīng)”。

PN結(jié)外加電壓幾乎全部降落在PN結(jié)（耗盡層或者勢壘區(qū)）上，PN結(jié)越薄，同樣的PN結(jié)外加電壓（不管是正向還是反向）導(dǎo)致的外加電場就越強(qiáng)，因為電場強(qiáng)度的單位是V/m，那么PN結(jié)外加電壓發(fā)生變化時，PN結(jié)外加電場強(qiáng)度的變化就越大，例如穩(wěn)壓二極管的齊納擊穿正是因為高摻雜——薄PN結(jié)——強(qiáng)電場導(dǎo)致的。

PN結(jié)加正向電壓時，外加電場（從P指向N）削弱了PN結(jié)內(nèi)建電場（從N指向P），此時兩側(cè)半導(dǎo)體載流子擴(kuò)散變得容易，一側(cè)的多數(shù)載流子擴(kuò)散到另一側(cè)，成為另一側(cè)的過剩少數(shù)載流子，使得另一側(cè)半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度增加，但少數(shù)載流子濃度是否一定與正向電流成正比？未必！擴(kuò)散過來的過剩少數(shù)載流子一定要和多數(shù)載流子復(fù)合，這時另一側(cè)半導(dǎo)體中原有的多數(shù)載流子也在正向電壓外加電場作用下做漂移運動，于是在PN結(jié)附近，擴(kuò)散過剩少數(shù)載流子與原半導(dǎo)體中漂移多數(shù)載流子復(fù)合，越遠(yuǎn)離PN結(jié)，過剩少數(shù)載流子被復(fù)合越多，半導(dǎo)體中被復(fù)合掉的多數(shù)載流子，通過外電路進(jìn)行補(bǔ)充，這樣在外電路中才形成了正向電流，外電路正向電流起到了補(bǔ)充多數(shù)載流子的作用，因此外電路正向電流的大小，準(zhǔn)確地說，應(yīng)該是和單位時間內(nèi)漂移—復(fù)合掉的多數(shù)載流子個數(shù)成正比，而不是和少數(shù)載流子濃度成正比，這個是很容易理解的，因為I=q/t，即電流等于電量與時間之比，而載流子個數(shù)就相當(dāng)于電量。

對于單個的PN結(jié)或者說二極管，加上正向電壓后最終達(dá)到一種動態(tài)平衡，這時單位時間內(nèi)擴(kuò)散過PN結(jié)的少數(shù)載流子總數(shù)，與單位時間內(nèi)漂移—復(fù)合掉的多數(shù)載流子總數(shù)，可以認(rèn)為是相等的，最終就得到小注入情況下PN結(jié)的電流—電壓方程：

I=IS*(exp(V/VT)-1)

或者：I≈IS*exp(V/VT)

其中VT≈0.026V=26mV。由于二極管正向?qū)〞r一般V>>VT，I又是隨著V/VT增加以指數(shù)規(guī)律上升的，因此二極管正向?qū)〞r正向電壓的微小增加就會導(dǎo)致正向電流的很大增加，這一說法反過來說就是：二極管或者PN結(jié)正向?qū)〞r，在很大正向電流范圍內(nèi)正向電壓基本保持不變，對于硅PN結(jié)這一正向電壓約為0.7V，也就是硅PN結(jié)的正向壓降。但這一說法不能完全理解為“正向電壓超過正向壓降PN結(jié)兩端電壓就維持不變”，實際上，隨著正向電流增加，PN結(jié)正向電壓還是會有微小增加的。

BJT的結(jié)構(gòu)是兩個背靠背的PN結(jié)，而且中間的基區(qū)很薄，發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，由于兩個PN結(jié)的相互影響，情況就發(fā)生了變化。BJT正常放大工作時，發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加上反向電壓，高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)導(dǎo)致發(fā)射結(jié)很薄，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射區(qū)大量多數(shù)載流子擴(kuò)散到基區(qū)，成為基區(qū)中的過剩少數(shù)載流子，但由于基區(qū)非常薄，這些過剩少數(shù)載流子來不及在基區(qū)復(fù)合掉，大部分都擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣了，而集電結(jié)加反向電壓，過剩少數(shù)載流子在反向電壓作用下漂移越過集電結(jié)，直接又成為集電區(qū)中的多數(shù)載流子，不需要在集電區(qū)中復(fù)合就可以形成集電極電流，因此，基區(qū)中有發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的大量過剩多數(shù)載流子，但卻無法在基區(qū)復(fù)合，大部分從基區(qū)中通過，越過集電結(jié)形成集電極電流。由于基區(qū)只復(fù)合掉了一小部分發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的過剩多數(shù)載流子，外電路也只需要補(bǔ)充這一小部分復(fù)合掉的基區(qū)多數(shù)載流子，因此雖然基區(qū)中有發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的大量過剩多數(shù)載流子，卻形不成較大的基極電流，這與單個PN結(jié)的情況發(fā)生了本質(zhì)變化，基區(qū)中單位時間內(nèi)漂移—復(fù)合掉的多數(shù)載流子總數(shù)遠(yuǎn)少于單位時間內(nèi)發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的少數(shù)載流子總數(shù)，基極電流IB與基極—發(fā)射極正向電壓VBE的電流—電壓方程實際上變成了：

IB≈(1-α)*IES*exp(VBE/VT)

或者寫成：

IB≈IES*exp(VBE/VT)/(1+β)

可見，實際的基極電流IB相對單個PN結(jié)的情況減少到了1/(1+β)，這一點說明：隨著VBE的增加，IB的增加相對單個PN結(jié)要慢一些了，但由于仍然有VBE>>VT，IB仍然隨著VBE/VT增加以指數(shù)規(guī)律上升，相對指數(shù)規(guī)律的增加，倍數(shù)減少導(dǎo)致的“慢一些”實際效果是非常有限的，在很大的IB范圍內(nèi)VBE仍然保持基本不變，VBE只比單個PN結(jié)的正向壓降高一點點。上述變化在BJT的共發(fā)射極輸入特性曲線上表現(xiàn)為：加上足夠的VCE使得集電結(jié)反偏后，輸入特性曲線向右稍微移動一點，斜率稍微下降一點，但對于硅BJT仍有VBE≈0.7V，因此BJT共發(fā)射極工作時的IB看起來主要由外電路決定，即有形式上的IB=(VBB-VBE)/RB，當(dāng)增加VBB或者減小RB使得IB增加時，實際上VBE還是會有增加，而且比單個PN結(jié)正向電壓的增加幅度要大一些。

BJT共發(fā)射極工作時，外電路控制了基極電流IB的變化，同時也控制了基極—發(fā)射極正向電壓VBE，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)正向電壓的變化，此時PN結(jié)不能再使用“正向電壓超過正向壓降（硅PN結(jié)0.7V左右）PN結(jié)兩端電壓就維持不變”的簡單模型分析，而必須用上述IB與VBE的電流—電壓方程分析，隨著外電路導(dǎo)致IB增加，VBE實際還是會增加的，而且比單個PN結(jié)正向電壓的增加幅度還要大一些。由于高摻雜導(dǎo)致發(fā)射結(jié)很薄，IB微小增加，導(dǎo)致VBE微小增加，就會導(dǎo)致發(fā)射結(jié)外加電場強(qiáng)度的急劇增加，進(jìn)而導(dǎo)致基區(qū)中過剩少數(shù)載流子濃度的急劇增加，這些過剩少數(shù)載流子仍然大部分形成集電極電流IC，最終導(dǎo)致IC急劇增加，這就是共發(fā)射極電流放大作用的原理。

從這個原理可以看出，真正導(dǎo)致IC增加的是VBE的增加，也就是說BJT實際還是電壓控制電流器件，只是因為VBE變化很小，形式上主要是IB發(fā)生變化，因此通常將BJT理解為電流控制電流器件，BJT共發(fā)射極工作時的電流—電壓方程可寫作：

IC≈α*IES*exp(VBE/VT)≈IES*exp(VBE/VT)

這一電流—電壓方程在分析BJT鏡像電流源等電路時十分有用。

從上述原理還可以導(dǎo)出很多重要結(jié)論，都是BJT中實際存在的現(xiàn)象：

1、發(fā)射區(qū)摻雜濃度越高，放大系數(shù)β越高，由此還可以引出一個BJT設(shè)計制造時的重要參數(shù)——發(fā)射結(jié)注入效率γ；

2、基區(qū)越薄，放大系數(shù)β越高，由此也可以引出又一個BJT設(shè)計制造時的重要參數(shù)——基區(qū)寬度（厚度）WB；

3、VCE增加，放大系數(shù)β會有一定程度的增加，因為集電結(jié)反向電壓越大，則集電結(jié)PN結(jié)阻擋層越寬，相當(dāng)于基區(qū)變薄了，這叫做基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（Early效應(yīng)），因此實際晶體管的輸出特性曲線族，隨著VCE增加，有“散開”的趨勢；

4、如果集電極電流受到外部電路的限制，例如有集電極負(fù)載，那么IB增加到一定值后，基區(qū)的過剩少數(shù)載流子不能有效漂移到集電區(qū)，在基區(qū)集電結(jié)邊緣堆積起來，此時集電結(jié)電流不再增加，過剩少數(shù)載流子的堆積導(dǎo)致集電結(jié)反向電壓減小甚至轉(zhuǎn)變成正向電壓，則BJT就飽和了。

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