深入理解三極管(BJT)的工作原理知識(shí)

三極管是經(jīng)常應(yīng)用的一個(gè)電子元器件，在模擬電路中經(jīng)常利用其工作在線性區(qū)來(lái)做信號(hào)處理電流放大等，在數(shù)字電路中又會(huì)利用其工作在飽和區(qū)截止區(qū)來(lái)作為開(kāi)關(guān)控制。作為開(kāi)關(guān)使用，除了在數(shù)字電路中應(yīng)用以外，還多用于電力電子中用作功率處理，常見(jiàn)有開(kāi)關(guān)電源、逆變器等。然而，很多資料對(duì)三極管的介紹常常太過(guò)簡(jiǎn)單或不夠深入，以至于我們對(duì)三極管的理解經(jīng)常一頭霧水，或者對(duì)其工作機(jī)制理解不到位。所以本文著重從半導(dǎo)體內(nèi)部機(jī)制來(lái)介紹其工作原理。

雙極性晶體管，全程雙極性結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor, BJT），也就是我們常說(shuō)的三極管。三極管的發(fā)明在電子學(xué)歷史上具有革命意義，1956年，威廉·肖克利（William Shockley）、約翰·巴丁（John Bardeen）和沃爾特·布喇頓（Walter Brattain）因?yàn)槿龢O管的發(fā)明工作被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

半導(dǎo)體物理中的一些基本概念

在講解其工作原理之前，先簡(jiǎn)單的介紹下半導(dǎo)體物理中的一些基本概念。

半導(dǎo)體是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種介質(zhì)，在不同的條件下可以表現(xiàn)出導(dǎo)電或者不導(dǎo)電的特性。電子半導(dǎo)體器件所用的材料大部分為硅、鍺等在元素周期表中處于金屬非金屬交界處的四價(jià)元素。

本征半導(dǎo)體 (intrinsic semiconductor))是指完全不含雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體。因?yàn)椴缓s質(zhì)，其中的載流子僅僅只靠本征激發(fā)產(chǎn)生，其導(dǎo)電性很差。與之對(duì)應(yīng)的是非本征半導(dǎo)體，根據(jù)摻雜不同分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

圖1 本征半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體是指在本征半導(dǎo)體摻入+5價(jià)元素（如P、Sb等）的半導(dǎo)體。由于加入了最外層為5個(gè)電子的元素，在形成共價(jià)鍵后會(huì)多出一個(gè)電子，這個(gè)電子就成了自由電子。半導(dǎo)體因?yàn)閾诫s而多出了載流子為自由電子，所以稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，電子為多數(shù)載流子。

圖2 N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體是指在本征半導(dǎo)體中摻入了+3價(jià)元素（如B、Al）的半導(dǎo)體。由于加入了最外層為3個(gè)電子的元素，在形成共價(jià)鍵時(shí)會(huì)多出一個(gè)“空位”。周?chē)碾娮訒?huì)填充這個(gè)“空位”，看起來(lái)就像是“空位”在移動(dòng)，我們稱(chēng)這個(gè)“空位”為空穴。因?yàn)檩d流子空穴顯現(xiàn)出正電特性，這種半導(dǎo)體稱(chēng)為P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子。

圖3 P型半導(dǎo)體

三極管的結(jié)構(gòu)

三極管結(jié)構(gòu)有NPN和PNP兩種，因?yàn)殡娮颖瓤昭ㄓ懈叩倪w移率，所以NPN比PNP型三極管獲得更廣泛的應(yīng)用。本文以NPN型三極管來(lái)介紹。下圖是NPN型三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)，可以看到三極管的基本結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)構(gòu)成。基極和發(fā)射極之間的PN結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié)，基極和集電極之間的PN結(jié)稱(chēng)為集電結(jié)。

圖4 三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)

在三極管器件的設(shè)計(jì)中，通常會(huì)在發(fā)射區(qū)進(jìn)行N型高摻雜，以便在發(fā)射結(jié)正偏時(shí)從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子在基區(qū)形成相當(dāng)高的電子濃度梯度。基區(qū)設(shè)計(jì)的很薄，這樣注入到基區(qū)的電子只有很少一部分與多子空穴復(fù)合形成基極電流。與基區(qū)電子復(fù)合的源源不斷的空穴需要基極提供電流來(lái)維持。在設(shè)計(jì)中對(duì)集電區(qū)則進(jìn)行較低的P型摻雜且面積很大，以便基區(qū)高濃度的電子擴(kuò)散進(jìn)去集電區(qū)形成集電極電流。

圖5 三極管內(nèi)部載流子分布

三極管的工作原理

圖6為三極管共射極電路，圖7為三極管的Ic-Vce輸出特性曲線。三極管的輸出特性曲線對(duì)于電路的分析來(lái)說(shuō)很重要，可以分為截止區(qū)（cut-off region）、線性放大區(qū)（acitve region）、飽和區(qū)（saturation region）。深入理解各個(gè)區(qū)域的工作條件和工作機(jī)制，對(duì)于我們很好得應(yīng)用三極管是非常有必要的。下面就結(jié)合圖6和圖7對(duì)各個(gè)區(qū)域的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖6 共射極狀態(tài)下內(nèi)部載流子的分布

圖7 三極管輸出特性曲線及工作狀態(tài)

在圖6中，我們給三極管發(fā)射結(jié)加上正向偏置電壓，因?yàn)镻N結(jié)（發(fā)射結(jié)）的輸入曲線（圖8）是指數(shù)關(guān)系，即當(dāng)輸入電壓超過(guò)二極管的門(mén)限電壓以后，輸入電壓增加很少，輸入電流就會(huì)急劇增加。同時(shí)，三極管的基區(qū)復(fù)合空穴主要是由基極提供，所以雙極性晶體管也叫電流型控制器件，與之對(duì)應(yīng)，MOSFET因?yàn)槭请妷嚎刂戚敵鲭娏鳎苑Q(chēng)為電壓型控制器件。

圖8 PN結(jié)的特性曲線

當(dāng)輸入電壓小于三極管的門(mén)限電壓時(shí)，輸入基極電流很小，小于基極截止電流 (Base cut-off current)，此時(shí)集電極只有很少的漏電流流過(guò)（collector cut-off current），三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)。

2. 當(dāng)輸入電壓高于三極管的門(mén)限電壓時(shí)，輸入基極電流由(Vin-Vbe)/R1決定。此時(shí)在正向偏置的基極電壓作用下，高摻雜發(fā)射區(qū)的電子越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)。擴(kuò)散到基區(qū)的一小部分自由電子與基區(qū)的空穴復(fù)合形成基極電流，復(fù)合掉的空穴由基極電流補(bǔ)充。當(dāng)集電結(jié)反偏時(shí)，基區(qū)內(nèi)的多數(shù)電子繼續(xù)擴(kuò)散，進(jìn)入到集電區(qū)形成集電極電流。

在基極電流一定的情況下，使集射極電壓Vce從零開(kāi)始慢慢增加（因?yàn)榇藭r(shí)Vbe≈0.7V，當(dāng)Vce從零開(kāi)始增加，也就意味著集電結(jié)電壓Vcb電壓從-0.7V開(kāi)始，慢慢增加到正值。即集電結(jié)從0.7V正偏慢慢變?yōu)榉雌瑘D9）。

在集電極電壓為0時(shí)，即集電結(jié)正偏電壓為0.7V，此時(shí)從發(fā)射區(qū)過(guò)來(lái)的自由電子被集電結(jié)正偏電壓0.7V建立起來(lái)的勢(shì)壘完全阻擋。所以集電極電流幾乎為零。

在集電極電壓慢慢增加但是集電結(jié)電壓仍然處于正偏狀態(tài)，由于集電結(jié)勢(shì)壘的降低，基區(qū)的電子開(kāi)始進(jìn)入集電區(qū)形成集電極電流。集電極正向偏置電壓越低，基區(qū)電子擴(kuò)撒到集電區(qū)越容易，從而集電極電流越大。所以此時(shí)集電極電流隨Vce增加而增加。

當(dāng)集電極電壓足夠大使得集電結(jié)零偏或者反向偏置時(shí)，基區(qū)的自由電子除了在基區(qū)跟空穴復(fù)合以外，幾乎都可以進(jìn)入到集電區(qū)，形成集電極電流。此時(shí)集電極電壓再增加，集電極電流不會(huì)增加。

當(dāng)基極電流增加時(shí)，由PN結(jié)特性知道，電流增加通常伴隨電壓的增加或者說(shuō)電壓增加引起電流的增加。所以當(dāng)基極電流增加，對(duì)應(yīng)的發(fā)射結(jié)電壓也增加，發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子也增加。當(dāng)集電結(jié)處于反偏時(shí)，對(duì)應(yīng)的集電極電流線性增加。這種在集電結(jié)反偏或者零偏狀態(tài)下，基極電流的增加，集電極電流也成線性增加，此時(shí)三極管工作在線性放大區(qū)。

圖9 三極管工作狀態(tài)與偏置相關(guān)

3. 從2. 中的分析可以知道，在集電結(jié)正偏時(shí)（正向偏置電壓<0.7V），基區(qū)的電子擴(kuò)散進(jìn)入集電區(qū)受阻。此時(shí)基極電流的增加雖然仍會(huì)使進(jìn)入基區(qū)的電子增加，但是基區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入集電區(qū)的電子由于受到集電結(jié)正偏的影響，集電極電流并不會(huì)增加。換句話(huà)說(shuō)，在這種情況下，集電極電流的增加受限于集電結(jié)的正偏，而基極電流不再是限制因素。在這種集電結(jié)正偏的情況下，隨著基極電流的增加，集電極電流并不會(huì)增加的現(xiàn)象，稱(chēng)之為飽和。此時(shí)三極管工作在飽和狀態(tài)。

由上面的分析可以知道，三極管工作在飽和狀態(tài)，和基極電流關(guān)系不大，但是和集電結(jié)的偏置狀態(tài)有關(guān)系。在圖9所示的工作電路中，假設(shè)Vce=5V，因?yàn)閂be≈0.7V，此時(shí)集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，三極管應(yīng)該工作在線性放大區(qū)。理論上說(shuō)，如果基極電流持續(xù)增加，則三極管集電極電流也會(huì)一直線性增加。所以對(duì)于Vce=5V，如果基極電流足夠大，集電極電流也會(huì)非常大，一直到器件發(fā)熱超過(guò)其結(jié)溫導(dǎo)致器件燒毀。

而對(duì)于圖6的情況，當(dāng)基極電流從0開(kāi)始增加，三極管會(huì)由截止區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū)（參照?qǐng)D7）。隨著基極電流增加，由于集電結(jié)反偏，三極管工作在線性區(qū)，集電極電流也隨之增加。當(dāng)基極電流足夠大時(shí)，Vce電壓降低到使集電結(jié)正偏，三極管進(jìn)入飽和區(qū)。三極管工作狀態(tài)沿著圖7中紅色的曲線由B點(diǎn)移動(dòng)到A點(diǎn)。Vcc電源串聯(lián)一個(gè)電阻，對(duì)集電極電流起到限流作用。

在電子電路中的應(yīng)用分析

三極管不同的工作狀態(tài)，可以用作不同的用途。三極管工作在線性放大區(qū)，可以用來(lái)設(shè)計(jì)線性穩(wěn)壓器。工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，可以用來(lái)當(dāng)作開(kāi)關(guān)應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源中。下面從以串聯(lián)型線性穩(wěn)壓源實(shí)例來(lái)說(shuō)明在不同電路中起到的作用。

串聯(lián)型線性穩(wěn)壓源

圖10 串聯(lián)電壓調(diào)整器

該電路是一個(gè)穩(wěn)壓管控制的串聯(lián)型電壓調(diào)整器，輸出一個(gè)穩(wěn)定的Vz-Vbe電壓。從電路中可以看到，三極管集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，工作在線性放大區(qū)。下面結(jié)合圖10分析該電路的工作狀態(tài)。

當(dāng)負(fù)載電阻下降，負(fù)載電流通過(guò)發(fā)射結(jié)電容放電增加，此時(shí)由于三極管還未來(lái)得及調(diào)整，集電極電流不變。

由于發(fā)射結(jié)電容放電增加的電流不足以維持負(fù)載電壓不變，輸出電壓Vo的降低，導(dǎo)致Vbe增加，從而使發(fā)射結(jié)積累的電子擴(kuò)散到集電區(qū)，增大集電極電流。即基極電流增加，使集電極電流增加，從而提供了負(fù)載所需要的額外電流。

當(dāng)調(diào)整到穩(wěn)態(tài)后，輸出電壓會(huì)比調(diào)整之前略低。因?yàn)樨?fù)載電流變大，對(duì)應(yīng)于三極管其基極電流也變大，從而相應(yīng)的Vbe也較大，所以輸出電壓Vo=Vz-Vbe也會(huì)略低。

圖11可以較好的描述串聯(lián)型線性穩(wěn)壓器在負(fù)載電流變大時(shí)，三極管的工作狀態(tài)變化。

圖11

當(dāng)負(fù)載電流變小，可同樣分析。

三極管因?yàn)槭荖PN/PNP結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。如果要更好的應(yīng)用它，從本質(zhì)上理解其工作機(jī)理是非常有必要的。本文從半導(dǎo)體物理角度來(lái)分析三極管不同工作狀態(tài)下的機(jī)理，并以串聯(lián)型線性穩(wěn)壓源為例，分析了其工作過(guò)程。

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