雙極晶體管的工作原理

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，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BJT不導(dǎo)通，處于正向阻斷狀態(tài)。

此時在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補充。如果基區(qū)的寬度比電子的擴散長度小很多，相當(dāng)一部分的電子會抵達集電結(jié)（J2），在那里它們被電場俘獲，運送到集電區(qū)。這樣一來，電流開始在電路中流動，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，BJT工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，進入飽和導(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處理的晶體三極管運行時的最大差別。

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，即撤掉基射極之間的電壓時，BJT電流會迅速下降，因為不再有電子注入到基極，剩下的過量電子既無法與空穴復(fù)合也不能流到集電極，同時集電結(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（也可以說是基極電流）來控制BJT導(dǎo)通和關(guān)斷的基本工作原理?？梢酝ㄟ^一些計算來分析兩個PN結(jié)的作用。導(dǎo)通狀態(tài)下兩個PN結(jié)附近的載流子分布如圖2所示。對應(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)進入集電極的電流為InC，看成電子穿過基極“運輸”到集電極，故定義輸運系數(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，考慮到

則有

系數(shù)α本質(zhì)上表明了一個BJT內(nèi)兩個PN結(jié)相互作用、相互影響的效果。一般來說，α并不是固定不變的常數(shù)，會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。