从PN结理解三极管

一、半导体与PN结

首先了解半导体的一些特性：

1. 半导体的导电特性：

半导体一般是指基于元素周期表中第IV主族元素物质制作的介于导体和绝缘体之间的物质，比如碳、硅、锗等。
半导体导电特性是基于空穴-电子对的运动，从而产生电流。
空穴：电子流失后留下的空位，把它看成一类导电物质，带正电；
电子：电子的单向运动产生反向电流，带负电。
温度升高空穴-电子对的运动强度增大，因此导电能力也就增强。

2. PN结

N型半导体（Negative）：参入五价元素，与四价元素形成共价键后剩余一个电子，整体带负电。
P型半导体（Positive）：参入三价元素，与四价元素形成共价键后剩余一个空穴，整体带正电。
PN结：将P型半导体和N型半导体组合后形成PN结，也就是常见的二极管基本结构。
对PN结的P区加正电压，N区加正电压。P区的空穴向N去移动，N区的电子向P区移动，这样就形成了由P向N的电流。

3.二极管

一般选型二极管可能需要关注的参数有：最大整流电流I_F，最高反向工作电压U_R，反向电流I_R，最高工作频率f_M等。
对PN结施加反向电压的应用场景是稳压二极管。

二、三极管与放大电路

1. 三极管(Bipolar Junction Transistor)

按照各类书籍，基本按照NPN型为例进行分析，本文也会依照NPN模型的路径进行分析，但尽量结合两类三极管的异同点。结构如下:

日常使用过程中我们更加关注的应该是如下的符号：

关于记忆NPN和PNP的符号，我的方法是箭头总指向N型半导体，而实际上也和正常使用情况下电流流向一致，即P->N。

接下来，对于NPN型三极管，最基本的一个共射极放大电路如下：

基于上述的电路可以深入了解三极管为什么可以用于放大，为什么也可以用于开关。
首先，V_BB和V_CC是直流供电电源，大小不一定相等。△u₁是交流信号。基极-发射极回路称为输入回路，集电极-发射极回路称为输出回路。回路中的电流是直流和交流信号的叠加。R_c是负载。

其次，放大系数公式可以写成$\beta =\frac{△i_C}{△i_B}\approx \frac{I_c}{I_b}$（式中，约等于的误差来自三极管中的压降，此处不做详细分析，可以参考模拟电路书籍）。放大系数中的电流I_c和I_b实际设计中可以在b极和c极用电阻进行控制，这样便可以设计放大电路了。

再者，三极管工作状态有三种：

• 放大状态：发射结正向偏置，集电结反向偏置。正向偏置即电压方向是P->N。
• 饱和状态：发射结和集电结都正向偏置。
• 截止状态：基极电流为零。

最后，输入特性曲线和输出特性曲线分别描述了电压电流关系。

• 当U_CE确定时，集电结与发射结电压确定，可以分析i_B和u_BE的关系。这就是输入特性曲线，主要分析的是输入回路的电路。
  
• 当i_B一定时，基极电流确定，可以分析集电极电流i_C和管压降U_CE之间的关系。
  

2.放大电路

根据以上三种工作状态，如果是设计放大电路，则工作状态一定是放大状态。而设计开关电路，则工作状态在饱和状态和截止状态之间切换。放大电路的设计重点就在于如何让三极管工作在放大状态。
上文有提到放大系数是$\beta =\frac{△i_C}{△i_B}\approx \frac{I_c}{I_b}$。放大状态的条件是发射结正向偏置，集电结反向偏置。

• 首先如何保证发射结正偏集电结反偏？
  答案就是三极管形成的直流回路要满足：U_CE≥0且U_CB≥0且 U_BE≥0。而这在模电当中称为设置静态工作点（Quiescent）包含参数：I_BQ、I_CQ、U_BEQ、U_CEQ，而一般会把U_BEQ当成已知量，硅管0.7V，锗管0.2V。按照如下图的模型，设置V_CC＞V_BB即可实现：
  
• 设计时如何控制放大系数？
  主要在于控制I_c和I_b的值，主要通过控制R_c和R_b1的值，由于供电电源在一个系统中通常只有一种等级的电压，所以通过R_b2来控制基极的电流。常见应用如下：
  
  关于三极管放大电路的分析设计，可以参考模电书籍，比如图解法，等效电路分析法等。其他共基、共集放大电路：
  
  
  将三类基本放大电路通过三类耦合方式（直接耦合、阻容耦合、变压器耦合）就可以形成多级放大电路。而为了减小温度引起的半导体导电性问题，即温漂问题，采用如下差分放大电路，运用双边共同变化的思路解决温漂问题：
  

三、三极管的开关作用

1.开关作用的工作模式

根据上面提到的内容，三极管的开关作用是指饱和区和截止区的交换过程。而有一种特殊状态是U_BC=0，即集电极和发射极的电压差为0，这种状态称为临界饱和或临界放大。对于开关作用的三极管一般可以设计成这种工作状态。

2.开关电路的设计

• 设计原理：
  饱和区：发射结和集电结都正向偏置。
  截止区：基极电流为0。
  结合上述的内容，只要满足U_BC=0即可。下图中R_b=R_c，V_BB=V_CC，则形成了一个开关电路。数字电路中通过操作V_BB的0和1状态即可实现开关。
  

• 针对NPN三极管
  这种三极管作为开关管，一般设计方式有两种：
  
  上述这种方式下，当I/O端的电压等于VCC后，三极管导通；当I/O端电压等于0后，三极管截止。但由于三极管PN结的压降，以及负载R2和LED的压降，会导致基极电流i_B受到较大影响，可能会引起不能导通的现象，所以实际应用一般采用如下的一种方式：
  

• 针对PNP三极管
  PNP三极管的应用也有两种模型：
  
  和NPN的原理类似，此种情况下，当I/O电压在0V时，三极管导通；当I/O电压等于VCC时，三极管截止。但此时i_B的值由发射极决定，所以如果负载R2和LED压降过大，则i_B很小，可能不能导通三极管。以下是日常设计中常用的方式：
  

• 总体来说，一般在用三极管设计控制电路时，负载都与集电极一侧相连。

四、低功耗和稳定性问题

1. 低功耗问题

在低功耗设计中，三极管控制电路会对电路产生一定影响。无论是NPN还是PNP，三极管本身PN结会有漏电流存在，在以上提到的模型中，当工作在截止状态时，NPN中存在U_cb>0和U_ce>0 ，PNP中存在U_ec>0和U_bc>0，故会有漏电流存在。

2. 稳定性问题

在I/O控制基极电压时，为了稳定基极的电压，一般会在NPN开关电路的设计中，在基极加下拉电阻；在PNP开关电路的设计中，在基极加上拉电阻。上拉下拉电阻根据控制芯片、三极管和电路电压选择10K，4.7K，1K等。如图：

参考资料：《模拟电子技术基础》