初级模拟电路：3-2 BJT的工做原理

回到目录

      和前面介绍二极管的PN结的工做原理同样，BJT的量子级工做机制也很是复杂，通常教科书上为了帮助学习者能快速理解，也都是用一种简化模型的方法来介绍BJT的工做机理，通常只需大体了解便可。只要记住关键的一点：BJT本质上是一种流控电流源（CCCS）。它能够用一个较小的基极电流控制一个较大的集电极电流。与此相似的，晚几年发明的场效应管（FET）是一种压控电流源（VCCS），它用一个较小的电压来控制一个较大的电流。

 

1.   BJT的结构

      BJT由三层掺杂半导体构成，下面是npn型和pnp型BJT的简化结构示意图与电路符号：

图 3-2.01 

      图中的“n”是指n型掺杂半导体材料，“p”是指p型掺杂半导体材料。E表示发射极（Emitter），C表示集电极（Collector），B表示基极（Base）。不论是npn型仍是pnp型，都具有如下2个特色：

      （1） 中间的基极材料很是薄，其宽度约为总宽度1/150。

      （2） 中间基极材料的掺杂浓度很低，发射极的掺杂浓度很高，集电极的掺杂浓度介于二者之间。

      基极的掺杂浓度低，致使了基极中的载流子数量较少，导电能力差。并且因为器件掺杂浓度是不对称的，故发射极和集电极不能调换方向使用。若调换方向，性能会产生很大差别。

      其中，发射极和基极之间造成的pn结称为发射结（base-emitter junction），集电极和基极之间造成的pn结称为集电结（base-collector junction）。

      因为BJT同时包含n和 p这两种半导体材料，故称为双极性（bipolor）。顺带说明一下，虽然咱们目前碰到的器件（如：二极管、BJT等）都是双极性的，但其实单极性（unipolar）器件也是有的，好比肖特基二极管，之后碰到再讲。

 

2.   BJT的工做原理

      回忆一下，在二极管的分析时，咱们须要对PN结施加不一样方向的偏置电压。一样的，BJT内的2个PN结也须要在施加外部偏置电压的状态下进行分析。前面说过，BJT做为一种三端子器件，分析起来要更加复杂一些。对于BJT内部的2个PN结：发射结能够正偏也能够反偏，集电结也能够正偏或反偏，那根据排列组合就有4种偏置场景要分析，分别是：（1）发射结和集电结都正偏；（2）发射结正偏、集电结反偏；（3）发射结反偏、集电结正偏；（4）发射结和集电结都反偏。

      所幸，不论是npn型仍是pnp型，大多数应用电路中的BJT都只使用一种偏置场景：发射结正偏，集电结反偏；其余3种偏置场景都不多使用，因此咱们下面只重点分析这一种偏置场景，其余3种会在后面其余小节碰到时再稍做介绍。

      下面咱们以npn型晶体管为例来进行偏置分析。咱们先在施加一个偏置电压的时候，将另外一个偏置断开，以解释某种偏置的基本做用状况，以下图所示：

图 3-2.02 

      在上面左图中，发射结正偏，至关于一个正偏的二极管，正偏电压使PN结的耗尽层变窄。发射区的掺杂浓度很高，理论上应该有大量的自由电子从发射区穿过发射结，进入基区，造成正偏电流。但与二极管不一样的是，因为基区掺杂浓度很低，故其空穴数量有限，只有很小一部分从发射区过来的自由电子能与基区的空穴复合，而后从价带运动到基极端子，再经过导线回到电源V_EE的正极，从而构成多子电流I_BE。而大部分从发射区过来的自由电子只能滞留基区出不出去，这自己会阻碍发射区的电子继续进入基区。最后达到平衡时的状态就是：能持续穿愈加射结的自由电子维持在一个很小的数量级，因此这个发射结的正偏电流很是小，流出基极的基极电流I_BE典型值为微安级，远小于普通二极管的正偏电流。

      基极的空穴运动方向与自由电子相反，也是构成基极电流I_BE的一部分。但因为基极的掺杂浓度很低，故基极的空穴运动咱们就不考虑了。

      在上面右图中，集电结反偏，至关于一个反偏的二极管，反偏电压使PN结的耗尽层变宽，只有极少数的“少数载流子”能够穿过集电结，造成很微小的反偏漏电流。这个少子反偏漏电流通常用I_CBO表示，下标中的“O”表示发射极开路（open）。I_CBO的数量级很是小，通常在纳安级。

      好，理解了前面2个单独的基本偏置状况后，咱们将这2个偏置电压同时加上去，以下图所示，看看会发生什么状况：

图 3-2.03 

      因为发射极的掺杂浓度很高，大量发射极的多子（自由电子）会穿过发射结，而进入中间的基区。和先前只有单独发射结偏置的状况不一样，如今集电极也有通路。这些进入基区的自由电子，一小部分（和先前同样）从基极端子流出回到发射结偏置电源V_EE，而大部分会继续向前运动，穿越集电结的耗尽层进入集电极，而后从集电极流出回到集电结的偏置电源V_CC的正极，以下图所示（注意电流方向与自由电子运动方向相反）：

图 3-2.04 

      前面说过，基区的宽度很是窄，因此那些从发射极穿越过来的自由电子具备足够的动能能够穿过基区到达集电结。因为集电结自己的反偏是为了阻止基区的“空穴”穿越pn结的（电场方向如上图中的“+-号”所示），而对于这些从发射极乱入过来的自由电子根本没有抵抗之力。只要自由电子可以到达集电结的耗尽层边缘，就会被集电结的耗尽层内建电场给顺势推向集电极。自由电子到达集电区之后，因为偏置电源V_CC正极的吸引做用，最后会流入V_CC的正极，这就构成了集电极多子电流，表示为：I_C多子，这个电流的典型值为毫安极。根据上图咱们能够获得发射极电流表达式：I_E = I_BE + I_C多子

      而后，再加上前面说过的由V_CC自己反偏产生的集电结漏电流I_CBO，各电流的分布状况入下图所示：

图 3-2.05 

      如此，在上图中能够看出：

      ● 流入集电极的总电流I_C总的表达式为：I_C总 = I_C多子 + I_CBO

      ● 流入基极的总电流I_B总的表达式为：I_B总 = I_BE - I_CBO

      ● 再加上前面咱们获得的发射极电流表达式：I_E = I_BE + I_C多子

      将以上三式联立，消去I_C多子、I_CBO、I_BE，最后可得：

      虽然上面分析的是npn晶体管，但上式对于pnp晶体管也是成立的，在后面的应用中，咱们会省略下标中的“总”字，将上式简写成：

      虽然省略了“总”字，但在概念上咱们要清楚，电流I_B和电流I_C本质上都是由两股不一样的电流叠加构成的。

 

3.   BJT的共基、共射、共集组态

      在上小节的分析中，咱们能够看到：发射结正偏（V_BE>0）、集电结反偏（V_CB>0），外部的两个偏置电压是共用一个基极端子的，这种电路接法，咱们称为共基组态（common-base configuration）。

注意：严格来说，“共基”的含义是指，当BJT构成一个双端口网络时，因为输入端口（port）须要有两个端子（terminal），输出端口也要有两个端子，但BJT总共只有3个端子，故势必有一个端子要被输入端口和输出端口共用。BJT的哪一个极的端子被“输入端口和输出端口”共用，就称为“共什么”组态。但如今咱们尚未讲BJT输入输出的概念，故这里先用偏置电压的公共端来帮助理解，之后在详细分析各个组态电路的章节中，会引入正确的概念。

      在保持“发射结正偏、集电结反偏”这种偏置时，还能够有别的电路接法：分别是共射组态（common-emitter configuration）和共集组态（common-collector configuration），下面咱们仍以npn型晶体管为例，来讲明这三种组态的区别。在每种接法中，BJT晶体管的三个端子（发射极、基极、集电极）均可以按实际状况添加电阻（或不接电阻）。以下图所示：

图 3-2.06 

      ● 共基组态：

      上图左边电路，偏置电压V_EE和V_CC在基极出来后共用一个端子，故称为“共基”。偏置状况前面已分析过。

 

      ● 共射组态：

      上图中间电路，偏置电压V_BB和V_EE在发射极出来后共用一个端子，故称为“共射”。发射结的偏置电压大小为V_BB（正偏），要使集电结反偏，必需要确保偏置电压V_EE大于V_BB，才能使集电极工做在反偏状态。并且因为集电极电流通常为毫安级，在电阻R_C上会产生压降，故通常V_EE要比V_BB再大一点余量才能够。

 

      ● 共集组态：

      上图右边电路（注意BJT集电极朝下），偏置电压V_BB和V_EE在集电极出来后共用一个端子，故称为“共集”。此时，基极电压小于集电极电压（V_CB>0），故集电结反偏。要使发射结正偏，必需要确保偏置电压V_BB小于V_EE，这样才能使发射极电压比基极电压负得更厉害，而使得V_BE>0，让发射结正偏。

     

回到目录

 

 

（ end of 3-2 ）