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    深入理解三極管(BJT)的工作原理

    來源:更新時間:2020-07-14點擊次數:958次

    三極管是經常應用的一個電子元器件,在模擬電路中經常利用其工作在線性區來做信號處理電流放大等,在數字電路中又會利用其工作在飽和區截止區來作為開關控制。作為開關使用,除了在數字電路中應用以外,還多用于電力電子中用作功率處理,常見有開關電源、逆變器等。然而,很多資料對三極管的介紹常常太過簡單或不夠深入,以至于我們對三極管的理解經常一頭霧水,或者對其工作機制理解不到位。所以本文著重從半導體內部機制來介紹其工作原理。


    雙極性晶體管,全程雙極性結型晶體管(bipolar junction transistor, BJT),也就是我們常說的三極管。三極管的發明在電子學歷史上具有革命意義,1956年,威廉·肖克利(William Shockley)、約翰·巴?。↗ohn Bardeen)和沃爾特·布喇頓(Walter Brattain)因為三極管的發明工作被授予諾貝爾物理學獎。

    半導體物理中的一些基本概念

    在講解其工作原理之前,先簡單的介紹下半導體物理中的一些基本概念。

    半導體是介于導體和絕緣體之間的一種介質,在不同的條件下可以表現出導電或者不導電的特性。電子半導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元素。

    本征半導體 (intrinsic semiconductor))是指完全不含雜質的純凈半導體。因為不含雜質,其中的載流子僅僅只靠本征激發產生,其導電性很差。與之對應的是非本征半導體,根據摻雜不同分為N型半導體和P型半導體。

    圖1 本征半導體

    N型半導體是指在本征半導體摻入+5價元素(如P、Sb等)的半導體。由于加入了最外層為5個電子的元素,在形成共價鍵后會多出一個電子,這個電子就成了自由電子。半導體因為摻雜而多出了載流子為自由電子,所以稱為N型半導體。在N型半導體中,電子為多數載流子。

    圖2 N型半導體

    P型半導體是指在本征半導體中摻入了+3價元素(如B、Al)的半導體。由于加入了最外層為3個電子的元素,在形成共價鍵時會多出一個“空位”。周圍的電子會填充這個“空位”,看起來就像是“空位”在移動,我們稱這個“空位”為空穴。因為載流子空穴顯現出正電特性,這種半導體稱為P型半導體。在P型半導體中,空穴為多數載流子。

    圖3 P型半導體



    三極管的結構

    三極管結構有NPN和PNP兩種,因為電子比空穴有更高的遷移率,所以NPN比PNP型三極管獲得更廣泛的應用。本文以NPN型三極管來介紹。下圖是NPN型三極管的內部結構示意圖和符號,可以看到三極管的基本結構是由兩個背靠背的PN結構成?;鶚O和發射極之間的PN結稱為發射結,基極和集電極之間的PN結稱為集電結。

    圖4 三極管的結構示意圖和符號

    在三極管器件的設計中,通常會在發射區進行N型高摻雜,以便在發射結正偏時從發射區注入基區的電子在基區形成相當高的電子濃度梯度?;鶇^設計的很薄,這樣注入到基區的電子只有很少一部分與多子空穴復合形成基極電流。與基區電子復合的源源不斷的空穴需要基極提供電流來維持。在設計中對集電區則進行較低的P型摻雜且面積很大,以便基區高濃度的電子擴散進去集電區形成集電極電流。

    圖5 三極管內部載流子分布

    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于電路的分析來說很重要,可以分為截止區(cut-off region)、線性放大區(acitve region)、飽和區(saturation region)。深入理解各個區域的工作條件和工作機制,對于我們很好得應用三極管是非常有必要的。下面就結合圖6和圖7對各個區域的工作狀態進行分析。

    圖6 共射極狀態下內部載流子的分布
    圖7 三極管輸出特性曲線及工作狀態

    在圖6中,我們給三極管發射結加上正向偏置電壓,因為PN結(發射結)的輸入曲線(圖8)是指數關系,即當輸入電壓超過二極管的門限電壓以后,輸入電壓增加很少,輸入電流就會急劇增加。同時,三極管的基區復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,與之對應,MOSFET因為是電壓控制輸出電流,所以稱為電壓型控制器件。

    圖8 PN結的特性曲線
    1. 當輸入電壓小于三極管的門限電壓時,輸入基極電流很小,小于基極截止電流 (Base cut-off current),此時集電極只有很少的漏電流流過(collector cut-off current),三極管工作在截止狀態。

    2. 當輸入電壓高于三極管的門限電壓時,輸入基極電流由(Vin-Vbe)/R1決定。此時在正向偏置的基極電壓作用下,高摻雜發射區的電子越過發射結擴散到基區。擴散到基區的一小部分自由電子與基區的空穴復合形成基極電流,復合掉的空穴由基極電流補充。當集電結反偏時,基區內的多數電子繼續擴散,進入到集電區形成集電極電流。

    在基極電流一定的情況下,使集射極電壓Vce從零開始慢慢增加(因為此時Vbe≈0.7V,當Vce從零開始增加,也就意味著集電結電壓Vcb電壓從-0.7V開始,慢慢增加到正值。即集電結從0.7V正偏慢慢變為反偏,圖9)。

    在集電極電壓為0時,即集電結正偏電壓為0.7V,此時從發射區過來的自由電子被集電結正偏電壓0.7V建立起來的勢壘完全阻擋。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電壓仍然處于正偏狀態,由于集電結勢壘的降低,基區的電子開始進入集電區形成集電極電流。集電極正向偏置電壓越低,基區電子擴撒到集電區越容易,從而集電極電流越大。所以此時集電極電流隨Vce增加而增加。

    當集電極電壓足夠大使得集電結零偏或者反向偏置時,基區的自由電子除了在基區跟空穴復合以外,幾乎都可以進入到集電區,形成集電極電流。此時集電極電壓再增加,集電極電流不會增加。

    當基極電流增加時,由PN結特性知道,電流增加通常伴隨電壓的增加或者說電壓增加引起電流的增加。所以當基極電流增加,對應的發射結電壓也增加,發射區擴散到基區的自由電子也增加。當集電結處于反偏時,對應的集電極電流線性增加。這種在集電結反偏或者零偏狀態下,基極電流的增加,集電極電流也成線性增加,此時三極管工作在線性放大區。

    圖9 三極管工作狀態與偏置相關

    3. 從2. 中的分析可以知道,在集電結正偏時(正向偏置電壓<0.7V),基區的電子擴散進入集電區受阻。此時基極電流的增加雖然仍會使進入基區的電子增加,但是基區擴散進入集電區的電子由于受到集電結正偏的影響,集電極電流并不會增加。換句話說,在這種情況下,集電極電流的增加受限于集電結的正偏,而基極電流不再是限制因素。在這種集電結正偏的情況下,隨著基極電流的增加,集電極電流并不會增加的現象,稱之為飽和。此時三極管工作在飽和狀態。

    由上面的分析可以知道,三極管工作在飽和狀態,和基極電流關系不大,但是和集電結的偏置狀態有關系。在圖9所示的工作電路中,假設Vce=5V,因為Vbe≈0.7V,此時集電結處于反偏狀態,三極管應該工作在線性放大區。理論上說,如果基極電流持續增加,則三極管集電極電流也會一直線性增加。所以對于Vce=5V,如果基極電流足夠大,集電極電流也會非常大,一直到器件發熱超過其結溫導致器件燒毀。

    而對于圖6的情況,當基極電流從0開始增加,三極管會由截止區進入線性放大區(參照圖7)。隨著基極電流增加,由于集電結反偏,三極管工作在線性區,集電極電流也隨之增加。當基極電流足夠大時,Vce電壓降低到使集電結正偏,三極管進入飽和區。三極管工作狀態沿著圖7中紅色的曲線由B點移動到A點。Vcc電源串聯一個電阻,對集電極電流起到限流作用。

    在電子電路中的應用分析

    三極管不同的工作狀態,可以用作不同的用途。三極管工作在線性放大區,可以用來設計線性穩壓器。工作在截止區和飽和區,可以用來當作開關應用在開關電源中。下面從以串聯型線性穩壓源實例來說明在不同電路中起到的作用。

    串聯型線性穩壓源

    圖10 串聯電壓調整器

    該電路是一個穩壓管控制的串聯型電壓調整器,輸出一個穩定的Vz-Vbe電壓。從電路中可以看到,三極管集電結反偏,發射結正偏,工作在線性放大區。下面結合圖10分析該電路的工作狀態。

    當負載電阻下降,負載電流通過發射結電容放電增加,此時由于三極管還未來得及調整,集電極電流不變。

    由于發射結電容放電增加的電流不足以維持負載電壓不變,輸出電壓Vo的降低,導致Vbe增加,從而使發射結積累的電子擴散到集電區,增大集電極電流。即基極電流增加,使集電極電流增加,從而提供了負載所需要的額外電流。

    當調整到穩態后,輸出電壓會比調整之前略低。因為負載電流變大,對應于三極管其基極電流也變大,從而相應的Vbe也較大,所以輸出電壓Vo=Vz-Vbe也會略低。

    圖11可以較好的描述串聯型線性穩壓器在負載電流變大時,三極管的工作狀態變化。


    圖11

    當負載電流變小,可同樣分析。


    三極管因為是NPN/PNP結構,結構較復雜。如果要更好的應用它,從本質上理解其工作機理是非常有必要的。本文從半導體物理角度來分析三極管不同工作狀態下的機理,并以串聯型線性穩壓源為例,分析了其工作過程。



    本文關鍵字:三極管,

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