雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)及配置原理

簡單的二極管由兩片半導(dǎo)體材料組成，形成一個簡單的PN結(jié)，如果將兩個單獨(dú)的信號二極管背靠背連接在一起，這樣會提供兩個串聯(lián)在一起的PN結(jié)，它們將共享一個公共的正極(P)或負(fù)極(N)端子。這兩個二極管的融合產(chǎn)生了一個三層、兩個結(jié)、三端器件，形成了雙極結(jié)型晶體管，簡稱BJT。

眾所周知，晶體管是由不同半導(dǎo)體材料制成的三端有源器件，通過施加小信號電壓可以充當(dāng)絕緣體或?qū)w。晶體管在這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的能力使其具有兩種基本功能：“開關(guān)”(數(shù)字電子)或“放大”(模擬電子)。然后雙極晶體管有能力在三個不同的區(qū)域內(nèi)工作：

有源區(qū)——晶體管作為放大器運(yùn)行，Ic=β*Ib

飽和度區(qū)——晶體管“完全導(dǎo)通”，作為開關(guān)運(yùn)行，Ic=I(飽和度)

截止區(qū)——晶體管“完全關(guān)閉”，作為開關(guān)運(yùn)行，Ic=0

Transistor這個詞是Transfer Varistor這兩個詞的組合，它描述了它們在電子開發(fā)早期的工作模式。雙極晶體管結(jié)構(gòu)有兩種基本類型，PNP和NPN，它們基本上描述了制造它們的P型和N型半導(dǎo)體材料的物理排列。

雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)

雙極結(jié)型晶體管的基本結(jié)構(gòu)由兩個PN結(jié)組成，產(chǎn)生三個連接端子，每個端子都有一個名稱，以區(qū)別于其他兩個端子。這三個端子是已知的，并分別標(biāo)記為發(fā)射器( E )、基極( B ) 和收集器( C )。

雙極結(jié)型晶體管是電流調(diào)節(jié)器件，可控制從發(fā)射極流向集電極端子的電流量，與施加到其基極端子的偏置電壓量成比例，因此其作用類似于電流控制開關(guān)。由于流入基極端子的小電流控制形成晶體管動作基礎(chǔ)的更大集電極電流。

這兩種晶體管類型PNP和NPN的工作原理完全相同，唯一的區(qū)別在于它們的偏置和每種類型的電源極性。

下圖給出了PNP和NPN雙極晶體管的結(jié)構(gòu)和電路符號，電路符號中的箭頭始終表示基極端子和發(fā)射極端子之間“常規(guī)電流”的方向。對于兩種晶體管類型，箭頭的方向始終從正P型區(qū)域指向負(fù)N型區(qū)域，與標(biāo)準(zhǔn)二極管符號完全相同。

雙極結(jié)型晶體管配置原理

由于雙極結(jié)型晶體管是一種三端子器件，因此基本上有三種可能的方式將其連接到電子電路中，其中一個端子對輸入和輸出信號都是公共的。由于晶體管的靜態(tài)特性隨每個電路布置而變化，因此每種連接方法對電路內(nèi)的輸入信號的響應(yīng)不同。

公共基礎(chǔ)配置——有電壓增益但沒有電流增益。

通用發(fā)射極配置——同時具有電流和電壓增益。

公共集電極配置——有電流增益但沒有電壓增益。

1、公共基礎(chǔ) (CB) 配置

顧名思義，在通用底座或接地底座配置中，輸入信號和輸出信號都使用BASE連接。輸入信號施加在晶體管基極和發(fā)射極端子之間，而相應(yīng)的輸出信號來自基極和集電極端子之間，如下圖所示?；鶚O接地或可以連接到某個固定的參考電壓點(diǎn)。

流入發(fā)射極的輸入電流相當(dāng)大，因?yàn)樗謩e是基極電流和集電極電流的總和，因此，集電極電流輸出小于發(fā)射極電流輸入，導(dǎo)致此類電路的電流增益為“1” (單位)或更少，換句話說，公共基本配置“衰減”輸入信號。

這種類型的放大器配置是非反相電壓放大器電路，因?yàn)樾盘栯妷篤in和Vout是“同相”的。由于其異常高的電壓增益特性，這種類型的晶體管布置不是很常見。它的輸入特性代表正向偏置二極管的特性，而輸出特性代表發(fā)光光電二極管的特性。

此外，這種類型的雙極晶體管配置具有很高的輸出與輸入電阻比，或更重要的是“負(fù)載”電阻 ( RL ) 與“輸入”電阻 ( Rin ) 的比值，使其具有“電阻增益”值。因此，通用基本配置的電壓增益 ( Av ) 為：

其中：Ic/Ie是電流增益，alpha ( α ) 和RL/Rin是電阻增益。

共基極電路由于其非常好的高頻響應(yīng)，一般僅用于單級放大器電路，例如麥克風(fēng)前置放大器或射頻 ( R?) 放大器。

2、共發(fā)射極 (CE) 配置

在共發(fā)射極或接地發(fā)射極配置中，輸入信號施加在基極和發(fā)射極之間，而輸出來自集電極和發(fā)射極之間，如下圖所示。這種類型的配置是基于晶體管的放大器最常用的電路，它代表了雙極晶體管連接的“正?！狈椒?。

共射極放大器配置在所有三種雙極晶體管配置中產(chǎn)生最高的電流和功率增益。這主要是因?yàn)檩斎胱杩沟?，因?yàn)樗B接到正向偏置 PN 結(jié)，而輸出阻抗高，因?yàn)樗鼇碜苑聪蚱?PN 結(jié)。

在這種類型的配置中，流出晶體管的電流必須等于流入晶體管的電流，因?yàn)榘l(fā)射極電流為Ie=Ic + Ib。

由于負(fù)載電阻 ( R L) 與集電極串聯(lián)，因此共發(fā)射極晶體管配置的電流增益非常大，因?yàn)樗荌c/Ib的比率。晶體管電流增益的希臘符號為Beta，( β )。

共發(fā)射極配置的發(fā)射極電流定義為Ie=Ic+Ib ，因此Ic/Ie的比率稱為Alpha，希臘符號為α。注意：Alpha的值總是小于單位。

這三個電流Ib、Ic和Ie之間的電氣關(guān)系是由晶體管本身的物理結(jié)構(gòu)決定的，因此基極電流 ( Ib ) 的任何微小變化都會導(dǎo)致集電極電流 ( Ic )發(fā)生更大的變化。

此外，流入基極的電流的微小變化將因此控制發(fā)射極-集電極電路中的電流。通常，對于大多數(shù)通用晶體管， Beta的值在20到200之間。因此，如果晶體管的Beta值為100，則發(fā)射極—集電極之間每流過100 個電子，就會有一個電子從基極流出。

通過結(jié)合Alpha、α和Beta、β的表達(dá)式，這些參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系以及晶體管的電流增益關(guān)系如下：

其中：“ Ic ”為流入集電極端子的電流，“ Ib ”為流入基極端子的電流，“ Ie ”為流出發(fā)射極端子的電流。

稍微總結(jié)一下，這種類型的雙極晶體管配置具有比共基極配置更大的輸入阻抗、電流和功率增益，但其電壓增益要低得多。共發(fā)射極配置是一個反相放大器電路。這意味著產(chǎn)生的輸出信號相對于輸入電壓信號具有180°的相移。

3、通用收集器 (CC) 配置

在公共集電極或接地集電極配置中，集電極通過電源連接到地，因此集電極端子對輸入和輸出都是公共的。輸入信號直接連接到基極端子，而輸出信號取自發(fā)射極負(fù)載電阻，如下圖所示。這種類型的配置通常稱為電壓跟隨器或發(fā)射極跟隨器電路。

公共集電極或射極跟隨器配置對于阻抗匹配應(yīng)用非常有用，因?yàn)樗哂蟹浅８叩妮斎胱杩?，在?shù)十萬歐姆的范圍內(nèi)，同時具有相對較低的輸出阻抗。

共發(fā)射極配置的電流增益大約等于晶體管本身的β值。然而，在共集電極配置中，負(fù)載電阻與發(fā)射極端子串聯(lián)，因此其電流等于發(fā)射極電流。

由于發(fā)射極電流是集電極和基極電流的組合，因此這種晶體管配置中的負(fù)載電阻也同時具有集電極電流和基極的輸入電流流過它。那么電路的電流增益為：

這種類型的雙極晶體管配置是非反相電路，因?yàn)閂in和Vout的信號電壓是“同相”的。公共集電極配置的電壓增益約為“1”(單位增益)。因此它可以被認(rèn)為是一個電壓緩沖器，因?yàn)殡妷涸鲆媸墙y(tǒng)一的。

公共集電極晶體管的負(fù)載電阻同時接收基極和集電極電流，從而提供大的電流增益(與共發(fā)射極配置一樣)，從而以非常小的電壓增益提供良好的電流放大。

在查看了三種不同類型的雙極晶體管配置之后，現(xiàn)在可以總結(jié)流經(jīng)每條腿的晶體管的各個直流電流與其上面給出的直流電流增益之間的各種關(guān)系，如下表所示。

請注意，盡管在這里查看了NPN雙極晶體管配置，但PNP晶體管在每種配置中都同樣有效，因?yàn)橛嬎愣际窍嗤?，就像放大信號的非反相一樣。唯一的區(qū)別在于電壓極性和電流方向。

總結(jié)

上述每種電路配置中雙極晶體管的行為都非常不同，并且在輸入阻抗，輸出阻抗和增益方面產(chǎn)生不同的電路特性，無論是電壓增益，電流增益還是功率增益。

下表給出了晶體管不同配置的一般特性：

以上就是關(guān)于雙極結(jié)型晶體管(BJT)工作原理和主要特性的相關(guān)知識介紹，由于雙極結(jié)型晶體管是一種半導(dǎo)體器件，可用于開關(guān)或放大，所以在日常生活中應(yīng)用也非常廣泛，感興趣的朋友可以查閱相關(guān)資料進(jìn)行詳細(xì)了解。