硬件基础之BJT晶体管

 BJT晶体管01-器件构成

一、技术理论

1.定义

        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

①NPN三极管

       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。

②PNP三极管

       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

二、BJT晶体管工作原理

以讲解NPN三极管

1.工作原理图（电流方向跟电子方向是相反的）

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

 2.电流放大倍数

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。

3.输入特性曲线

        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  。

4.输出特性曲线

        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，

 5.简要介绍PNP三极管原理

        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：

三、NPN三极管放大电路

        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：

四、晶体管用作信号开关

        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

1.NPN三极管用于信号开关

 2.PNP三极管用于信号开关

五、光电三极管

1.定义

        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：

 2.光耦运用

 与上面反相：

以下可作为开关使用：(反相器)

 3.补充光电二极管

        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。

三、项目实战

        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。

1.驱动蜂鸣器

        说明：BUZ为高电平，蜂鸣器工作。

2.与PMOS组成电源开关

 3.图腾柱驱动电路（主要用来驱动比较大的负载）

         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)