初級模擬電路：3-2 BJT的工做原理

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      和前面介紹二極管的PN結的工做原理同樣，BJT的量子級工做機制也很是複雜，通常教科書上爲了幫助學習者能快速理解，也都是用一種簡化模型的方法來介紹BJT的工做機理，通常只需大體瞭解便可。只要記住關鍵的一點：BJT本質上是一種流控電流源（CCCS）。它能夠用一個較小的基極電流控制一個較大的集電極電流。與此相似的，晚幾年發明的場效應管（FET）是一種壓控電流源（VCCS），它用一個較小的電壓來控制一個較大的電流。

 

1.   BJT的結構

      BJT由三層摻雜半導體構成，下面是npn型和pnp型BJT的簡化結構示意圖與電路符號：

圖 3-2.01 

      圖中的「n」是指n型摻雜半導體材料，「p」是指p型摻雜半導體材料。E表示發射極（Emitter），C表示集電極（Collector），B表示基極（Base）。不論是npn型仍是pnp型，都具有如下2個特色：

      （1） 中間的基極材料很是薄，其寬度約爲總寬度1/150。

      （2） 中間基極材料的摻雜濃度很低，發射極的摻雜濃度很高，集電極的摻雜濃度介於二者之間。

      基極的摻雜濃度低，致使了基極中的載流子數量較少，導電能力差。並且因爲器件摻雜濃度是不對稱的，故發射極和集電極不能調換方向使用。若調換方向，性能會產生很大差別。

      其中，發射極和基極之間造成的pn結稱爲發射結（base-emitter junction），集電極和基極之間造成的pn結稱爲集電結（base-collector junction）。

      因爲BJT同時包含n和 p這兩種半導體材料，故稱爲雙極性（bipolor）。順帶說明一下，雖然咱們目前碰到的器件（如：二極管、BJT等）都是雙極性的，但其實單極性（unipolar）器件也是有的，好比肖特基二極管，之後碰到再講。

 

2.   BJT的工做原理

      回憶一下，在二極管的分析時，咱們須要對PN結施加不一樣方向的偏置電壓。一樣的，BJT內的2個PN結也須要在施加外部偏置電壓的狀態下進行分析。前面說過，BJT做爲一種三端子器件，分析起來要更加複雜一些。對於BJT內部的2個PN結：發射結能夠正偏也能夠反偏，集電結也能夠正偏或反偏，那根據排列組合就有4種偏置場景要分析，分別是：（1）發射結和集電結都正偏；（2）發射結正偏、集電結反偏；（3）發射結反偏、集電結正偏；（4）發射結和集電結都反偏。

      所幸，不論是npn型仍是pnp型，大多數應用電路中的BJT都只使用一種偏置場景：發射結正偏，集電結反偏；其餘3種偏置場景都不多使用，因此咱們下面只重點分析這一種偏置場景，其餘3種會在後面其餘小節碰到時再稍做介紹。

      下面咱們以npn型晶體管爲例來進行偏置分析。咱們先在施加一個偏置電壓的時候，將另外一個偏置斷開，以解釋某種偏置的基本做用狀況，以下圖所示：

圖 3-2.02 

      在上面左圖中，發射結正偏，至關於一個正偏的二極管，正偏電壓使PN結的耗盡層變窄。發射區的摻雜濃度很高，理論上應該有大量的自由電子從發射區穿過發射結，進入基區，造成正偏電流。但與二極管不一樣的是，因爲基區摻雜濃度很低，故其空穴數量有限，只有很小一部分從發射區過來的自由電子能與基區的空穴複合，而後從價帶運動到基極端子，再經過導線回到電源V_EE的正極，從而構成多子電流I_BE。而大部分從發射區過來的自由電子只能滯留基區出不出去，這自己會阻礙發射區的電子繼續進入基區。最後達到平衡時的狀態就是：能持續穿愈加射結的自由電子維持在一個很小的數量級，因此這個發射結的正偏電流很是小，流出基極的基極電流I_BE典型值爲微安級，遠小於普通二極管的正偏電流。

      基極的空穴運動方向與自由電子相反，也是構成基極電流I_BE的一部分。但因爲基極的摻雜濃度很低，故基極的空穴運動咱們就不考慮了。

      在上面右圖中，集電結反偏，至關於一個反偏的二極管，反偏電壓使PN結的耗盡層變寬，只有極少數的「少數載流子」能夠穿過集電結，造成很微小的反偏漏電流。這個少子反偏漏電流通常用I_CBO表示，下標中的「O」表示發射極開路（open）。I_CBO的數量級很是小，通常在納安級。

      好，理解了前面2個單獨的基本偏置狀況後，咱們將這2個偏置電壓同時加上去，以下圖所示，看看會發生什麼狀況：

圖 3-2.03 

      因爲發射極的摻雜濃度很高，大量發射極的多子（自由電子）會穿過發射結，而進入中間的基區。和先前只有單獨發射結偏置的狀況不一樣，如今集電極也有通路。這些進入基區的自由電子，一小部分（和先前同樣）從基極端子流出回到發射結偏置電源V_EE，而大部分會繼續向前運動，穿越集電結的耗盡層進入集電極，而後從集電極流出回到集電結的偏置電源V_CC的正極，以下圖所示（注意電流方向與自由電子運動方向相反）：

圖 3-2.04 

      前面說過，基區的寬度很是窄，因此那些從發射極穿越過來的自由電子具備足夠的動能能夠穿過基區到達集電結。因爲集電結自己的反偏是爲了阻止基區的「空穴」穿越pn結的（電場方向如上圖中的「+-號」所示），而對於這些從發射極亂入過來的自由電子根本沒有抵抗之力。只要自由電子可以到達集電結的耗盡層邊緣，就會被集電結的耗盡層內建電場給順勢推向集電極。自由電子到達集電區之後，因爲偏置電源V_CC正極的吸引做用，最後會流入V_CC的正極，這就構成了集電極多子電流，表示爲：I_C多子，這個電流的典型值爲毫安極。根據上圖咱們能夠獲得發射極電流表達式：I_E = I_BE + I_C多子

      而後，再加上前面說過的由V_CC自己反偏產生的集電結漏電流I_CBO，各電流的分佈狀況入下圖所示：

圖 3-2.05 

      如此，在上圖中能夠看出：

      ● 流入集電極的總電流I_C總的表達式爲：I_C總 = I_C多子 + I_CBO

      ● 流入基極的總電流I_B總的表達式爲：I_B總 = I_BE - I_CBO

      ● 再加上前面咱們獲得的發射極電流表達式：I_E = I_BE + I_C多子

      將以上三式聯立，消去I_C多子、I_CBO、I_BE，最後可得：

      雖然上面分析的是npn晶體管，但上式對於pnp晶體管也是成立的，在後面的應用中，咱們會省略下標中的「總」字，將上式簡寫成：

      雖然省略了「總」字，但在概念上咱們要清楚，電流I_B和電流I_C本質上都是由兩股不一樣的電流疊加構成的。

 

3.   BJT的共基、共射、共集組態

      在上小節的分析中，咱們能夠看到：發射結正偏（V_BE>0）、集電結反偏（V_CB>0），外部的兩個偏置電壓是共用一個基極端子的，這種電路接法，咱們稱爲共基組態（common-base configuration）。

注意：嚴格來說，「共基」的含義是指，當BJT構成一個雙端口網絡時，因爲輸入端口（port）須要有兩個端子（terminal），輸出端口也要有兩個端子，但BJT總共只有3個端子，故勢必有一個端子要被輸入端口和輸出端口共用。BJT的哪一個極的端子被「輸入端口和輸出端口」共用，就稱爲「共什麼」組態。但如今咱們尚未講BJT輸入輸出的概念，故這裏先用偏置電壓的公共端來幫助理解，之後在詳細分析各個組態電路的章節中，會引入正確的概念。

      在保持「發射結正偏、集電結反偏」這種偏置時，還能夠有別的電路接法：分別是共射組態（common-emitter configuration）和共集組態（common-collector configuration），下面咱們仍以npn型晶體管爲例，來講明這三種組態的區別。在每種接法中，BJT晶體管的三個端子（發射極、基極、集電極）均可以按實際狀況添加電阻（或不接電阻）。以下圖所示：

圖 3-2.06 

      ● 共基組態：

      上圖左邊電路，偏置電壓V_EE和V_CC在基極出來後共用一個端子，故稱爲「共基」。偏置狀況前面已分析過。

 

      ● 共射組態：

      上圖中間電路，偏置電壓V_BB和V_EE在發射極出來後共用一個端子，故稱爲「共射」。發射結的偏置電壓大小爲V_BB（正偏），要使集電結反偏，必需要確保偏置電壓V_EE大於V_BB，才能使集電極工做在反偏狀態。並且因爲集電極電流通常爲毫安級，在電阻R_C上會產生壓降，故通常V_EE要比V_BB再大一點餘量才能夠。

 

      ● 共集組態：

      上圖右邊電路（注意BJT集電極朝下），偏置電壓V_BB和V_EE在集電極出來後共用一個端子，故稱爲「共集」。此時，基極電壓小於集電極電壓（V_CB>0），故集電結反偏。要使發射結正偏，必需要確保偏置電壓V_BB小於V_EE，這樣才能使發射極電壓比基極電壓負得更厲害，而使得V_BE>0，讓發射結正偏。

     

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（ end of 3-2 ）