根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域,并形成两个PN结,即构成BJT晶体管。
BJT是双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT)的缩写,又常称为双载子晶体管。它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件,有PNP和NPN两种组合结构。
2.晶体管类型
如下图,NPN型三极管,由三块半导体构成,其中两块N型和一块P型半导体组成,P型半导体在中间,两块N型半导体在两侧。
三个区的特点:
基 区——P型半导体,很薄且杂质浓度很低,引出基极b;
发射区——N型半导体,杂质浓度很高,自由电子很多,引出发射极e;
集电极——N型半导体,杂质浓度很低,但面积大,引出集电极c
NPN三极管的特性与三个区域的上述特点紧密相关,理解NPN三极管的前提是充分理解PN结。
如下图,PNP型三极管,由三块半导体构成,其中两块P型和一块N型半导体组成,N型半导体在中间,两块P型半导体在两侧。
三个区的特点:
基 区——N型半导体,很薄且杂质浓度很低,引出基极b;
发射区——P型半导体,杂质浓度很高,空穴很多,引出发射极e;
集电区——P型半导体,杂质浓度很低,但面积很大,引出集电极c
以讲解NPN三极管
①发射结加正向电压,扩散运动形成发射电流
由于发射结加正向电压,又因为发射区的杂质浓度高,自由电子很多,所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区,形成发射极电流
②扩散到基区的自由电子与空穴复合形成基极电流
由于基区很薄,杂质浓度很低,所以扩散到基区的自由电子只有极少部分与空穴符合,形成微弱的基极
③集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流
由于集电结加反向电压且结面积很大,基区的非平衡少子(主要为发射极扩散过来的,未与空穴复合的大量自由电子)在外电场的作用下越过集电结达到集电区,形成漂移电流
便于理解,定性分析:
发射极扩散出的自由电子,一部分与基极的空穴复合,一部分漂移至集电区,因此:
此外,对于掺杂浓度确定的晶体管,发射极扩散出的自由电子与基极的空穴数量都是固定的,而且有一定的比例关系,我们可以定义为晶体管的放大倍数 β,则
如此,得出以下的公式:
>>
>>
由于
得 (电流放大倍数)
晶体管的输入输出特性曲线描述各电极之间电压、电流的关系,便于对晶体管的性能、参数电路的分析计算。
输入特性曲线描述管压降 一定的情况下,基极电路 与发射结压降 之间的函数关系,即:
常数
分析:
=0V,曲线类似于PN结的伏安特性曲线;
增大时,曲线将右移,因为发射结扩散至其基区的自由电子部分漂移至集电极,使得 减小,获得同样的 ,需要增大 。
输出特性曲线描述基区电流 一定的情况下,集电极电流 与管压降 之间的函数关系,即:
常数
对每一个确定的,都有一条曲线,所以输出特性是一族曲线。对于某一条曲线,当 从0逐渐增大时,集电极电场随之增强,收集基区非平衡少子的能力逐渐增强,因此 也逐渐增大。但是,当增大到一定数值时,集电极的电量足以将基区的非平衡少子的绝大部分收集到集电区来,再增大,收集能力已经不能明显提高,曲线几乎平行于横轴,此时 几乎仅仅决定于,表现出放大特性。
从输出特性曲线看,晶体管有三个工作区间(决定其作用):
①截止区
发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置,即 且 。此时
0,0
②放大区
发射结电压大于开启电压且集电结反向偏置,即 且 。此时
仅仅取决于 ,
③饱和区
发射结电压大于开启电压且集电结正向偏置,即 且 。此时 不仅仅与
有关,而且随 的增大而增大,
PNP晶体管与NPN晶体管的工作原理基本类似,区别是PNP晶体管靠空穴导电,电流方向不同,应用电路也不同。
简要介绍PNP的工作原理图:
其实,NPN三极管放大电路简要了解就好,项目中基本不用,因为晶体管的放大系数不稳定,受温度影响较大。应用电路通常需要确定的放大倍数且不受环境影响,需要引入反馈环路,输入部分的抗干扰能力要求也高,集成运放满足这个要求。
仿真电路:
实际应用时,晶体管常用作开关使用(开关损耗要足够小),放大电路使用集成运放。
此时,晶体管工作在截止区和饱和区。
截止区,,此时功率 很小
饱和区, 深度饱和电压很小,功率 相对也很小
光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小,其功能等效为一只光电二极管与一只晶体管的相连,并引出集电极与发射极,如下图:
与上面反相:
以下可作为开关使用:(反相器)
光电二极管依据 光照的强度 来控制PN结,与普通二极管一样,具有单向导电性。
BJT晶体管是流控型器件,小电流控制大电流,与MOS管不同的是,晶体管的驱动电流 很小,对驱动源的要求很低,通常,单片机的IO口可以直接驱动。
BJT晶体管工作在饱和区时,尽管 很小,如果 很大,发热还是较大,所以,常用作小功率器件驱动与大功率MOS管的前级驱动。
说明:BUZ为高电平,蜂鸣器工作。
过程:
在PWM输入一个高电平的信号,Q4导通, 为0.1V,则 Q3 就截止。而U8的NMOS管是存在寄生电容的。之后再通过R3电阻,通过Q2,再通过Q4,所以R3为限流电阻来保护Q2和Q4(而其阻值根据电压以及频率来决定)。而R6的作用是形成双向放电,便于U8去截止,从而U8是断开的。
在PWM输入一个低电平的信号,Q4截止,R5就是12V了,从而Q2截止,Q3导通,发射极12V。充电后通过R3,当大于开启电压后,U8就导通了,从而形成低电平导通高电平截止的效果。
所以,BJT晶体管是驱动电路常用的开关型器件,应用时应该让其工作在截止区与深度饱和区。
下面这篇的BJT技术讲得挺好的:
什么是BJT?BJT的功能及作用? - 电子常识 - 电子发烧友网 (elecfans.com)