双极结型晶体管 (BJT)

双极结型晶体管（BJT）源自三个词：bi（双）、junction（结）和transistor（晶体管）。结指的是PN结，它允许载流子和电流在特定方向流动。晶体管是一种三端半导体器件，用于调节电流的流动。'bi'的意思是两个。因此，BJT是一种具有三个端子（发射极、基极和集电极）、两个PN结以及三个独立掺杂区域的器件。

PN结由两个掺杂区域“p”和“n”构成。

p区域的多数载流子是空穴（带有正电荷），n区域的多数载流子是电子（带有负电荷）。电荷从高浓度（发射极）区域流向低浓度（集电极）区域。BJT中的发射极结掺杂浓度很高。

BJT也称为电流控制型器件。这是因为输入电流决定了其输出。

双极结型晶体管的三个端子如下图所示

单个PN结晶体管如下图所示

在这里，我们将讨论以下主题

什么是BJT？

电压偏置

BJT的类型

工作区域

晶体管电流

BJT的工作模式

BJT的击穿电压

BJT中的晶体管开关

让我们开始。

什么是BJT？

在继续讲解其工作原理之前，我们先来讨论BJT的三种配置。

BJT的三个端子如下

1. 发射极

与晶体管的其他两个区域相比，发射极区域的掺杂浓度最高。它是载流子开始流动的区域。这意味着载流子从发射极流向集电极。

2. 基极

基极区域是晶体管中最小的区域。它很小是为了避免载流子复合。它会阻止电子和空穴复合，并将更多的电子传递到基极区域。它与发射极和集电极区域的极性相反。

3. 集电极

集电极区域的掺杂浓度最低。它通常与基极反向偏置，这不允许任何载流子流动。它接收来自基极的载流子。在放大器中，它被视为输出区域。集电极区域在BJT的三个区域中具有最大的宽度。

电压偏置

电压偏置有两种类型，即正向偏置和反向偏置。

正向偏置

正向偏置是晶体管的连接方式，其中电池的（+）端连接到含有正电荷载流子（p区域）的区域，（-）端连接到含有负电荷载流子（n区域）的区域。

反向偏置

电池的正极连接到含有负电荷载流子（n区域）的区域，负极连接到含有正电荷载流子（p区域）的区域。我们可以说，与正向偏置相比，这种连接是相反的。在反向偏置情况下，载流子的流动是零。这是因为结的接触具有两种性质相反的电荷，它们会吸引它们。它将电荷从结中拉开，使耗尽区或基极变宽，从而不允许电荷轻易流动。

在BJT的情况下，基极-发射极区域连接为正向偏置，基极-集电极区域连接为反向偏置。

BJT的类型

双极结型晶体管有两种类型：NPN型晶体管和PNP型晶体管。

NPN型晶体管

NPN型晶体管由两个N型掺杂区域之间的单个P型掺杂区域组成。

NPN型晶体管的结构如下图所示

NPN型晶体管作为两个PN结组合的等效电路如下图所示

“++”符号表示重掺杂浓度，而“+”表示中等掺杂浓度。在两个n型硅片之间插入一个p型硅片，形成NPN型半导体。这里，发射极结“n++”是重掺杂的，集电极结“n+”是轻掺杂的。

NPN型晶体管的工作原理

连接设置：电池的负极（VEE）连接到发射极n++硅片，电池的正极（VCC）连接到集电极n+硅片。上述连接也称为正向有源工作模式。

NPN的电路和符号如下图所示

工作原理：当电池接通时，电子从电池流向n++发射极。电池和n区域都包含带负电的电子。相同的电荷会相互排斥，电子开始从发射极向基极区域移动。p+硅片具有少数载流子电子和多数载流子空穴。从发射极流出的电子增加了基极区域的少数载流子浓度，并开始流向集电极区域。由于反向偏置，基极-集电极区域的电荷流动为零。电流的流动方向始终与电子的流动方向相反。因此，电流从集电极流向发射极。

PNP型晶体管

PNP型晶体管由两个P型掺杂区域之间的单个N型掺杂区域组成。

PNP型晶体管的结构如下图所示

PNP型晶体管作为两个PN结组合的等效电路如下图所示

这里，在由半导体材料制成的两个p型硅片之间插入了一个n型硅片。发射极结“p++”是重掺杂的，集电极结“p+”是轻掺杂的。

PNP型晶体管的工作原理

连接设置：电池的正极（VEE）连接到发射极p++硅片，电池的负极（VCC）连接到集电极p+硅片。

PNP型晶体管的电路和符号如下图所示

工作原理：电子从电池的负极流向正极。当电池接通时，正电荷流向p++发射极区域，该区域包含多数载流子空穴。相同的电荷会相互排斥，空穴开始从发射极向基极区域移动。由于基极宽度较小，一些空穴会复合，其余的会流向集电极。这在基极区域构成一个非常小的电流。由于反向偏置，基极-集电极区域的电荷流动为零。电流方向与空穴流动方向相同。

因此，电流从发射极流向集电极。由于多数载流子的不同，电流方向与NPN型晶体管相反。

注意：NPN型晶体管的电流形成是由于多数载流子电子。PNP型晶体管的电流形成是由于多数载流子空穴。

工作区域

双极结型晶体管有三个工作区域，列举如下

• 正向有源区
• 截止区
• 饱和区

让我们来讨论BJT的上述四个区域。这里，我们将以NPN型晶体管为例进行进一步解释。发射极结作为输入的NPN双极结型晶体管配置如下图所示

正向有源区

当基极-发射极结正向偏置时，这是其工作区域。从发射极到基极再到集电极的电子流动会产生发射极电流和集电极电流。集电极-发射极回路的KVL方程可以写为

V_CC = I_CR_C + V_CB + V_BE = V_R + V_CE

其中，

V_CC：集电极电压

I_C：集电极电流

R_C：集电极上的电阻

V_CB：集电极-基极结上的电压

V_BE：基极和发射极区域之间的电压。对于硅晶体管，V_BE为0.7伏特。

V_R：阈值电压

V_CE：集电极-发射极结上的电压

集电极-发射极回路如上图所示。

截止区

截止区是指晶体管处于所有流经电路的电流都为零的状态。当基极-发射极结上的电压为零或反向偏置时，就会发生这种情况。没有电流导致发射极结没有电子移动，因此没有发射极电流。基极-集电极结已反向偏置。因此，所有电流（基极电流、集电极电流和发射极电流）均为零。

饱和区

正向偏置电压的增加会导致电子流向基极区域。这会进一步增加发射极和集电极电流。当集电极电流增加时，电阻上的阈值电压也会增加。

三个区域中的电流流动状态如下图所示

在饱和模式下，基极-发射极区域和基极-集电极区域都为正向偏置。对于较大的集电极-发射极电压，基极区域反向偏置；对于较小的集电极-发射极电压，基极区域正向偏置。

叠加在BJT特性曲线上的负载线如下图所示

负载线可用于描绘晶体管的工作模式。

集电极-发射极配置的基尔霍夫电压方程可写为

V_CE = V_CC - I_CR_C

晶体管电流

BJT电路由三种晶体管电流组成，分别是发射极电流、基极电流和集电极电流。

集电极电流

晶体管中的集电极电流受基极-发射极电压控制。这是因为集电极-基极结反向偏置，不产生自己的电流。其公式为

I_C = I_S exp (V_BE/V_T)

我们也可以说，集电极电流等于电子从发射极注入基极时产生的发射极电流。

发射极电流

发射极电流表示为I_E1。它由于电子从发射极到基极的移动而流动。注入基极区域的空穴也会产生电流I_E2。它是基极-发射极结的一部分，不流向集电极区域。我们可以写出公式

I_E2 = I_S2 exponential (V_BE/V_T)

其中，

V_BE：基极和发射极区域之间的电压。对于硅晶体管，V_BE为0.7伏特。

V_R：阈值电压

I_S2：发射极区域中少数载流子空穴引起的电流

总发射极电流为

I_E = I_E1 + I_E2

I_E = I_C + I_E2

这里，I_E1等于集电极电流，如上所述。

I_E = I_SE exp (V_BE/V_T)

集电极电流与发射极电流之比为

I_C/I_E = a

其中，

a是共基极电流增益，其值通常小于1。

基极电流

发射极电流表示为 I_B。在NPN型晶体管的情况下，基极中的多数载流子是空穴。由于注入了大量电子或某些载流子复合，空穴开始消失。因此，为了平衡带正电的空穴，需要向基极端子补充空穴，这就构成了基极电流。基极中电子和空穴复合的数量取决于少数载流子电子的存在。

因此，基极电流与以下成正比

I_B = exponential (V_BE/V_T)

I_B = exp (V_BE/V_T)

集电极电流与基极电流之比为

I_C/I_B = B

其中，

B是共发射极电流增益，其值通常大于1。

BJT的优点

双极结型晶体管的优点如下

• 它可以在低功率和高功率应用中运行，并在高频下表现良好。
• 高增益带宽
  由于电流密度和高电压增益，它具有高增益带宽。
• 高电流密度
  这意味着单位时间内流过单位横截面积的电流量。
• 高电压增益
  这意味着对于期望的输入，输出更大。电压增益是输出与输入的比值。因此，如果输出很高，BJT的电压增益也会很高。

BJT的缺点

双极结型晶体管的缺点如下

• 低正向电压
  正向电压取决于晶体管的掺杂浓度，BJT的三个结具有不同的掺杂浓度。因此，与其它晶体管相比，其均匀正向电压较低。
• 噪声较大
  BJT中的电流产生是由于电子和空穴的共同作用，这会产生噪声。但是，与MOS晶体管相比，噪声较小，MOS晶体管的电流生成仅由多数载流子引起。
• 热稳定性低
  BJT中的泄漏电流对温度敏感，这会降低其热稳定性。
• 开关频率低
  BJT中的电流产生是由于多数载流子和少数载流子共同作用，而MOSFET的电流仅取决于多数载流子。因此，与MOSFET相比，BJT的开关速度较慢。

BJT的应用

BJT有各种各样的应用。让我们讨论一些最常见的双极结型晶体管的应用。

• 削波电路
  当信号通过晶体管的不同区域（截止区、饱和区和有源区）时，可以对其进行削波。
• 逻辑电路
  逻辑门中的BJT用作快速开关。
• 振荡器
  晶体管用作共发射极，其中发射极与基极和集电极一起作为公共端。一个或多个晶体管、电感器和电容器的组合也用于在电路中产生振荡。
• 放大器
  BJT还可以用作放大器。由于发射极结的高掺杂浓度，输入端的微小变化会导致输出电压发生较大变化。它提高了信号的强度，并用作放大器。
• 双极结型晶体管的其他应用包括多谐振荡器、调制器和解调器。