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深入理解三极管(BJT)的工作原理

来源:更新时间:2020-07-14点击次数:325次

三极管是经常应用的一个电子元器件,在模拟电路中经常利用其工作在线性区来做信号处理电流放大等,在数字电路中又会利用其工作在饱和区截止区来作为开关控制。作为开关使用,除了在数字电路中应用以外,还多用于电力电子中用作功率处理,常见有开关电源、逆变器等。然而,很多资料对三极管的介绍常常太过简单或不够深入,以至于我们对三极管的理解经常一头雾水,或者对其工作机制理解不到位。所以本文着重从半导体内部机制来介绍其工作原理。


双极性晶体管,全程双极性结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT),也就是我们常说的三极管。三极管的发明在电子学历史上具有革命意义,1956年,威廉·肖克利(William Shockley)、约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布喇顿(Walter Brattain)因为三极管的发明工作被授予诺贝尔物理学奖。

半导体物理中的一些基本概念

在讲解其工作原理之前,先简单的介绍下半导体物理中的一些基本概念。

半导体是介于导体和绝缘体之间的一种介质,在不同的条件下可以表现出导电或者不导电的特性。电子半导体器件所用的材料大部分为硅、锗等在元素周期表中处于金属非金属交界处的四价元素。

本征半导体 (intrinsic semiconductor))是指完全不含杂质的纯净半导体。因为不含杂质,其中的载流子仅仅只靠本征激发产生,其导电性很差。与之对应的是非本征半导体,根据掺杂不同分为N型半导体和P型半导体。

图1 本征半导体

N型半导体是指在本征半导体掺入+5价元素(如P、Sb等)的半导体。由于加入了最外层为5个电子的元素,在形成共价键后会多出一个电子,这个电子就成了自由电子。半导体因为掺杂而多出了载流子为自由电子,所以称为N型半导体。在N型半导体中,电子为多数载流子。

图2 N型半导体

P型半导体是指在本征半导体中掺入了+3价元素(如B、Al)的半导体。由于加入了最外层为3个电子的元素,在形成共价键时会多出一个“空位”。周围的电子会填充这个“空位”,看起来就像是“空位”在移动,我们称这个“空位”为空穴。因为载流子空穴显现出正电特性,这种半导体称为P型半导体。在P型半导体中,空穴为多数载流子。

图3 P型半导体



三极管的结构

三极管结构有NPN和PNP两种,因为电子比空穴有更高的迁移率,所以NPN比PNP型三极管获得更广泛的应用。本文以NPN型三极管来介绍。下图是NPN型三极管的内部结构示意图和符号,可以看到三极管的基本结构是由两个背靠背的PN结构成。基极和发射极之间的PN结称为发射结,基极和集电极之间的PN结称为集电结。

图4 三极管的结构示意图和符号

在三极管器件的设计中,通常会在发射区进行N型高掺杂,以便在发射结正偏时从发射区注入基区的电子在基区形成相当高的电子浓度梯度。基区设计的很薄,这样注入到基区的电子只有很少一部分与多子空穴复合形成基极电流。与基区电子复合的源源不断的空穴需要基极提供电流来维持。在设计中对集电区则进行较低的P型掺杂且面积很大,以便基区高浓度的电子扩散进去集电区形成集电极电流。

图5 三极管内部载流子分布

三极管的工作原理

图6为三极管共射极电路,图7为三极管的Ic-Vce输出特性曲线。三极管的输出特性曲线对于电路的分析来说很重要,可以分为截止区(cut-off region)、线性放大区(acitve region)、饱和区(saturation region)。深入理解各个区域的工作条件和工作机制,对于我们很好得应用三极管是非常有必要的。下面就结合图6和图7对各个区域的工作状态进行分析。

图6 共射极状态下内部载流子的分布
图7 三极管输出特性曲线及工作状态

在图6中,我们给三极管发射结加上正向偏置电压,因为PN结(发射结)的输入曲线(图8)是指数关系,即当输入电压超过二极管的门限电压以后,输入电压增加很少,输入电流就会急剧增加。同时,三极管的基区复合空穴主要是由基极提供,所以双极性晶体管也叫电流型控制器件,与之对应,MOSFET因为是电压控制输出电流,所以称为电压型控制器件。

图8 PN结的特性曲线
  1. 当输入电压小于三极管的门限电压时,输入基极电流很小,小于基极截止电流 (Base cut-off current),此时集电极只有很少的漏电流流过(collector cut-off current),三极管工作在截止状态。

2. 当输入电压高于三极管的门限电压时,输入基极电流由(Vin-Vbe)/R1决定。此时在正向偏置的基极电压作用下,高掺杂发射区的电子越过发射结扩散到基区。扩散到基区的一小部分自由电子与基区的空穴复合形成基极电流,复合掉的空穴由基极电流补充。当集电结反偏时,基区内的多数电子继续扩散,进入到集电区形成集电极电流。

在基极电流一定的情况下,使集射极电压Vce从零开始慢慢增加(因为此时Vbe≈0.7V,当Vce从零开始增加,也就意味着集电结电压Vcb电压从-0.7V开始,慢慢增加到正值。即集电结从0.7V正偏慢慢变为反偏,图9)。

在集电极电压为0时,即集电结正偏电压为0.7V,此时从发射区过来的自由电子被集电结正偏电压0.7V建立起来的势垒完全阻挡。所以集电极电流几乎为零。

在集电极电压慢慢增加但是集电结电压仍然处于正偏状态,由于集电结势垒的降低,基区的电子开始进入集电区形成集电极电流。集电极正向偏置电压越低,基区电子扩撒到集电区越容易,从而集电极电流越大。所以此时集电极电流随Vce增加而增加。

当集电极电压足够大使得集电结零偏或者反向偏置时,基区的自由电子除了在基区跟空穴复合以外,几乎都可以进入到集电区,形成集电极电流。此时集电极电压再增加,集电极电流不会增加。

当基极电流增加时,由PN结特性知道,电流增加通常伴随电压的增加或者说电压增加引起电流的增加。所以当基极电流增加,对应的发射结电压也增加,发射区扩散到基区的自由电子也增加。当集电结处于反偏时,对应的集电极电流线性增加。这种在集电结反偏或者零偏状态下,基极电流的增加,集电极电流也成线性增加,此时三极管工作在线性放大区

图9 三极管工作状态与偏置相关

3. 从2. 中的分析可以知道,在集电结正偏时(正向偏置电压<0.7V),基区的电子扩散进入集电区受阻。此时基极电流的增加虽然仍会使进入基区的电子增加,但是基区扩散进入集电区的电子由于受到集电结正偏的影响,集电极电流并不会增加。换句话说,在这种情况下,集电极电流的增加受限于集电结的正偏,而基极电流不再是限制因素。在这种集电结正偏的情况下,随着基极电流的增加,集电极电流并不会增加的现象,称之为饱和。此时三极管工作在饱和状态。

由上面的分析可以知道,三极管工作在饱和状态,和基极电流关系不大,但是和集电结的偏置状态有关系。在图9所示的工作电路中,假设Vce=5V,因为Vbe≈0.7V,此时集电结处于反偏状态,三极管应该工作在线性放大区。理论上说,如果基极电流持续增加,则三极管集电极电流也会一直线性增加。所以对于Vce=5V,如果基极电流足够大,集电极电流也会非常大,一直到器件发热超过其结温导致器件烧毁。

而对于图6的情况,当基极电流从0开始增加,三极管会由截止区进入线性放大区(参照图7)。随着基极电流增加,由于集电结反偏,三极管工作在线性区,集电极电流也随之增加。当基极电流足够大时,Vce电压降低到使集电结正偏,三极管进入饱和区。三极管工作状态沿着图7中红色的曲线由B点移动到A点。Vcc电源串联一个电阻,对集电极电流起到限流作用。

在电子电路中的应用分析

三极管不同的工作状态,可以用作不同的用途。三极管工作在线性放大区,可以用来设计线性稳压器。工作在截止区和饱和区,可以用来当作开关应用在开关电源中。下面从以串联型线性稳压源实例来说明在不同电路中起到的作用。

串联型线性稳压源

图10 串联电压调整器

该电路是一个稳压管控制的串联型电压调整器,输出一个稳定的Vz-Vbe电压。从电路中可以看到,三极管集电结反偏,发射结正偏,工作在线性放大区。下面结合图10分析该电路的工作状态。

当负载电阻下降,负载电流通过发射结电容放电增加,此时由于三极管还未来得及调整,集电极电流不变。

由于发射结电容放电增加的电流不足以维持负载电压不变,输出电压Vo的降低,导致Vbe增加,从而使发射结积累的电子扩散到集电区,增大集电极电流。即基极电流增加,使集电极电流增加,从而提供了负载所需要的额外电流。

当调整到稳态后,输出电压会比调整之前略低。因为负载电流变大,对应于三极管其基极电流也变大,从而相应的Vbe也较大,所以输出电压Vo=Vz-Vbe也会略低。

图11可以较好的描述串联型线性稳压器在负载电流变大时,三极管的工作状态变化。


图11

当负载电流变小,可同样分析。


三极管因为是NPN/PNP结构,结构较复杂。如果要更好的应用它,从本质上理解其工作机理是非常有必要的。本文从半导体物理角度来分析三极管不同工作状态下的机理,并以串联型线性稳压源为例,分析了其工作过程。



本文关键字:三极管,

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