三極管(BJT)工作在飽和區為什么要求集電極正偏解析

晶體管共發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。

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

一般模電教科書，是先以共基極放大電路講出BJT內部的電流分配關系，即IE=IB+IC，同時IB<<IC，然后就一步跳到共發射極放大電路，說明IB微小變化會導致IC較大變化，得出電流放大的結論。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內部的電流分配關系，但在共發射極放大電路中，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，一定會導致IC更大變化”這個結論，因此很多較為認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體相關知識。

首先說明一個PN結的基本知識，PN結兩邊的半導體摻雜濃度越高，PN結（指PN結耗盡層或者勢壘區）就越薄，因為摻雜濃度越高，載流子濃度也就越高，形成PN結時，擴散過來的載流子就越容易被復合掉，載流子向另一側半導體的擴散深度就越淺，導致PN結變薄。例如，高摻雜的穩壓二極管PN結就比整流二極管薄，隧道二極管摻雜濃度更高，PN結更薄，進而能導致“隧道效應”。

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

PN結加正向電壓時，外加電場（從P指向N）削弱了PN結內建電場（從N指向P），此時兩側半導體載流子擴散變得容易，一側的多數載流子擴散到另一側，成為另一側的過剩少數載流子，使得另一側半導體中的少數載流子濃度增加，但少數載流子濃度是否一定與正向電流成正比？未必！擴散過來的過剩少數載流子一定要和多數載流子復合，這時另一側半導體中原有的多數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結附近，擴散過剩少數載流子與原半導體中漂移多數載流子復合，越遠離PN結，過剩少數載流子被復合越多，半導體中被復合掉的多數載流子，通過外電路進行補充，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充多數載流子的作用，因此外電路正向電流的大小，準確地說，應該是和單位時間內漂移—復合掉的多數載流子個數成正比，而不是和少數載流子濃度成正比，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，而載流子個數就相當于電量。

對于單個的PN結或者說二極管，加上正向電壓后最終達到一種動態平衡，這時單位時間內擴散過PN結的少數載流子總數，與單位時間內漂移—復合掉的多數載流子總數，可以認為是相等的，最終就得到小注入情況下PN結的電流—電壓方程：

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

或者：I≈IS*exp(V/VT)

其中VT≈0.026V=26mV。由于二極管正向導通時一般V>>VT，I又是隨著V/VT增加以指數規律上升的，因此二極管正向導通時正向電壓的微小增加就會導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結正向導通時，在很大正向電流范圍內正向電壓基本保持不變，對于硅PN結這一正向電壓約為0.7V，也就是硅PN結的正向壓降。但這一說法不能完全理解為“正向電壓超過正向壓降PN結兩端電壓就維持不變”，實際上，隨著正向電流增加，PN結正向電壓還是會有微小增加的。

BJT的結構是兩個背靠背的PN結，而且中間的基區很薄，發射區摻雜濃度很高，由于兩個PN結的相互影響，情況就發生了變化。BJT正常放大工作時，發射結加正向電壓，集電結加上反向電壓，高摻雜濃度的發射區導致發射結很薄，進而導致發射區大量多數載流子擴散到基區，成為基區中的過剩少數載流子，但由于基區非常薄，這些過剩少數載流子來不及在基區復合掉，大部分都擴散到集電結邊緣了，而集電結加反向電壓，過剩少數載流子在反向電壓作用下漂移越過集電結，直接又成為集電區中的多數載流子，不需要在集電區中復合就可以形成集電極電流，因此，基區中有發射區擴散過來的大量過剩多數載流子，但卻無法在基區復合，大部分從基區中通過，越過集電結形成集電極電流。由于基區只復合掉了一小部分發射區擴散過來的過剩多數載流子，外電路也只需要補充這一小部分復合掉的基區多數載流子，因此雖然基區中有發射區擴散過來的大量過剩多數載流子，卻形不成較大的基極電流，這與單個PN結的情況發生了本質變化，基區中單位時間內漂移—復合掉的多數載流子總數遠少于單位時間內發射區擴散過來的少數載流子總數，基極電流IB與基極—發射極正向電壓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增加以指數規律上升，相對指數規律的增加，倍數減少導致的“慢一些”實際效果是非常有限的，在很大的IB范圍內VBE仍然保持基本不變，VBE只比單個PN結的正向壓降高一點點。上述變化在BJT的共發射極輸入特性曲線上表現為：加上足夠的VCE使得集電結反偏后，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結正向電壓的增加幅度要大一些。

BJT共發射極工作時，外電路控制了基極電流IB的變化，同時也控制了基極—發射極正向電壓VBE，相當于發射結正向電壓的變化，此時PN結不能再使用“正向電壓超過正向壓降（硅PN結0.7V左右）PN結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，隨著外電路導致IB增加，VBE實際還是會增加的，而且比單個PN結正向電壓的增加幅度還要大一些。由于高摻雜導致發射結很薄，IB微小增加，導致VBE微小增加，就會導致發射結外加電場強度的急劇增加，進而導致基區中過剩少數載流子濃度的急劇增加，這些過剩少數載流子仍然大部分形成集電極電流IC，最終導致IC急劇增加，這就是共發射極電流放大作用的原理。

從這個原理可以看出，真正導致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發生變化，因此通常將BJT理解為電流控制電流器件，BJT共發射極工作時的電流—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出很多重要結論，都是BJT中實際存在的現象：

1、發射區摻雜濃度越高，放大系數β越高，由此還可以引出一個BJT設計制造時的重要參數——發射結注入效率γ；

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

3、VCE增加，放大系數β會有一定程度的增加，因為集電結反向電壓越大，則集電結PN結阻擋層越寬，相當于基區變薄了，這叫做基區寬度調制效應（Early效應），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，例如有集電極負載，那么IB增加到一定值后，基區的過剩少數載流子不能有效漂移到集電區，在基區集電結邊緣堆積起來，此時集電結電流不再增加，過剩少數載流子的堆積導致集電結反向電壓減小甚至轉變成正向電壓，則BJT就飽和了。

壹芯微科技針對二三極管,MOS管作出了良好的性能測試，應用各大領域，如果您有遇到什么需要幫助解決的,可以點擊右邊的工程師,或者點擊銷售經理給您精準的報價以及產品介紹