雙極晶體管的工作原理知識(shí)

BJT的基本工作原理體現(xiàn)為發(fā)射結(jié)（J1）和集電結(jié)（J2）的相互作用。當(dāng)BJT的基極懸空或者與發(fā)射結(jié)短路，集射極間的電壓正偏置，即UCE>0時(shí)，集電結(jié)（J2）處于反偏置狀態(tài)，承擔(dān)了外部的偏置電壓，發(fā)射結(jié)不提供電子，整個(gè)BJT不導(dǎo)通，處于正向阻斷狀態(tài)。

此時(shí)在BJT基極與發(fā)射極間施加正向電壓，即UBE>0。發(fā)射結(jié)正偏置帶來(lái)的少子注入效應(yīng)，使發(fā)射區(qū)的電子經(jīng)過發(fā)射結(jié)進(jìn)人基區(qū)。隨著電子深入基區(qū)，許多電子跟基區(qū)中的空穴復(fù)合，因復(fù)合而失去的空穴由基極觸點(diǎn)補(bǔ)充。如果基區(qū)的寬度比電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度小很多，相當(dāng)一部分的電子會(huì)抵達(dá)集電結(jié)（J2），在那里它們被電場(chǎng)俘獲，運(yùn)送到集電區(qū)。這樣一來(lái)，電流開始在電路中流動(dòng)，導(dǎo)通狀態(tài)下的BJT的能帶圖如圖1所示。

圖1  導(dǎo)通狀態(tài)BJT的能帶圖

這些通過集電結(jié)的電子，降低了集電結(jié)的壓降，也在集電區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低集電區(qū)的壓降。當(dāng)基射極之間的電壓足夠大時(shí)，BJT工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)后的BJT集射極電壓非常低，集電極電流僅取決于外電路阻抗，不再受基極控制。BJT工作在飽和狀態(tài)，這是雙極型電力晶體管與作為信號(hào)處理的晶體三極管運(yùn)行時(shí)的最大差別。

從PN結(jié)分析知道，基射極電壓UBE決定了發(fā)射結(jié)的注入水平，即調(diào)節(jié)了集電區(qū)的電流。當(dāng)撤掉基極驅(qū)動(dòng)，即撤掉基射極之間的電壓時(shí)，BJT電流會(huì)迅速下降，因?yàn)椴辉儆须娮幼⑷氲交鶚O，剩下的過量電子既無(wú)法與空穴復(fù)合也不能流到集電極，同時(shí)集電結(jié)回到承受外置反偏電壓狀態(tài)，BJT關(guān)斷。

圖2  導(dǎo)通狀態(tài)下PN結(jié)附件的載流子分布

以上就是通過基射極電壓UBE（也可以說(shuō)是基極電流）來(lái)控制BJT導(dǎo)通和關(guān)斷的基本工作原理。可以通過一些計(jì)算來(lái)分析兩個(gè)PN結(jié)的作用。導(dǎo)通狀態(tài)下兩個(gè)PN結(jié)附近的載流子分布如圖2所示。對(duì)應(yīng)的BJT中的電子和空穴流分布示意圖如圖3所示。

圖3  導(dǎo)通時(shí)BJT中的載流子分布

圖中，電子流的方向與電流方向相反，而空穴流的方向與電流方向相同。IB、IC和IE分別是BJT的基極、集電極和發(fā)射極電流。IpE和InE為通過發(fā)射結(jié)的空穴和電子電流，InC是InE中通過集電結(jié)的那部分電子電流，I0C是偏置條件下的集電結(jié)的漏電流，比其他電流小很多，可以忽略。

對(duì)于流過發(fā)射結(jié)的電流有兩部分組成，且發(fā)射結(jié)的注入效率為γ，則

在基區(qū)存在電子空穴的少子的復(fù)合，則電流InE中的能夠最后通過集電結(jié)進(jìn)入集電極的電流為InC，看成電子穿過基極“運(yùn)輸”到集電極，故定義輸運(yùn)系數(shù)B為

顯然，該系數(shù)也小于1，根據(jù)B和γ，可以定義該BJT的電流放大系數(shù)α為

此時(shí)，考慮到

則有

系數(shù)α本質(zhì)上表明了一個(gè)BJT內(nèi)兩個(gè)PN結(jié)相互作用、相互影響的效果。一般來(lái)說(shuō)，α并不是固定不變的常數(shù)，會(huì)受到很多因素的影響，如BJT中流經(jīng)電流、器件結(jié)溫等。通過上式可以看出，沒有基極電流的BJT是不會(huì)導(dǎo)通的，除非反偏的集電結(jié)發(fā)生擊穿。這是三層兩結(jié)晶體管的基本特征。一個(gè)典型的BJT的電流放大系統(tǒng)隨集電極電流和結(jié)溫的變化曲線如圖4所示。

圖4  電流放大系數(shù)隨集電極電流和結(jié)溫的變化曲線

以上就是雙極晶體管的基本工作原理。

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