初级模拟电路：3-2 BJT的工作原理

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      和前面介绍二极管的PN结的工作原理一样，BJT的量子级工作机制也非常复杂，一般教科书上为了帮助学习者能快速理解，也都是用一种简化模型的方法来介绍BJT的工作机理，一般只需大致了解即可。只要记住关键的一点：BJT本质上是一种流控电流源（CCCS）。它可以用一个较小的基极电流控制一个较大的集电极电流。与此类似的，晚几年发明的场效应管（FET）是一种压控电流源（VCCS），它用一个较小的电压来控制一个较大的电流。

1.   BJT的结构

      BJT由三层掺杂半导体构成，下面是npn型和pnp型BJT的简化结构示意图与电路符号：

图 3-2.01 

      图中的“n”是指n型掺杂半导体材料，“p”是指p型掺杂半导体材料。E表示发射极（Emitter），C表示集电极（Collector），B表示基极（Base）。不管是npn型还是pnp型，都具备以下2个特点：

      （1） 中间的基极材料非常薄，其宽度约为总宽度1/150。

      （2） 中间基极材料的掺杂浓度很低，发射极的掺杂浓度很高，集电极的掺杂浓度介于两者之间。

      基极的掺杂浓度低，导致了基极中的载流子数量较少，导电能力差。而且由于器件掺杂浓度是不对称的，故发射极和集电极不能调换方向使用。若调换方向，性能会产生很大差异。

      其中，发射极和基极之间形成的pn结称为发射结（base-emitter junction），集电极和基极之间形成的pn结称为集电结（base-collector junction）。

      由于BJT同时包含n和 p这两种半导体材料，故称为双极性（bipolor）。顺带说明一下，虽然我们目前碰到的器件（如：二极管、BJT等）都是双极性的，但其实单极性（unipolar）器件也是有的，比如肖特基二极管，以后碰到再讲。

2.   BJT的工作原理

      回忆一下，在二极管的分析时，我们需要对PN结施加不同方向的偏置电压。同样的，BJT内的2个PN结也需要在施加外部偏置电压的状态下进行分析。前面说过，BJT作为一种三端子器件，分析起来要更加复杂一些。对于BJT内部的2个PN结：发射结可以正偏也可以反偏，集电结也可以正偏或反偏，那根据排列组合就有4种偏置场景要分析，分别是：（1）发射结和集电结都正偏；（2）发射结正偏、集电结反偏；（3）发射结反偏、集电结正偏；（4）发射结和集电结都反偏。

      所幸，不管是npn型还是pnp型，大多数应用电路中的BJT都只使用一种偏置场景：发射结正偏，集电结反偏；其他3种偏置场景都很少使用，所以我们下面只重点分析这一种偏置场景，其他3种会在后面其他小节碰到时再稍作介绍。

      下面我们以npn型晶体管为例来进行偏置分析。我们先在施加一个偏置电压的时候，将另一个偏置断开，以解释某种偏置的基本作用情况，如下图所示：

图 3-2.02 

      在上面左图中，发射结正偏，相当于一个正偏的二极管，正偏电压使PN结的耗尽层变窄。发射区的掺杂浓度很高，理论上应该有大量的自由电子从发射区穿过发射结，进入基区，形成正偏电流。但与二极管不同的是，由于基区掺杂浓度很低，故其空穴数量有限，只有很小一部分从发射区过来的自由电子能与基区的空穴复合，然后从价带运动到基极端子，再通过导线回到电源V_EE的正极，从而构成多子电流I_BE。而大部分从发射区过来的自由电子只能滞留基区出不出去，这本身会阻碍发射区的电子继续进入基区。最后达到平衡时的状态就是：能持续穿越发射结的自由电子维持在一个很小的数量级，所以这个发射结的正偏电流非常小，流出基极的基极电流I_BE典型值为微安级，远小于普通二极管的正偏电流。

      基极的空穴运动方向与自由电子相反，也是构成基极电流I_BE的一部分。但由于基极的掺杂浓度很低，故基极的空穴运动我们就不考虑了。

      在上面右图中，集电结反偏，相当于一个反偏的二极管，反偏电压使PN结的耗尽层变宽，只有极少数的“少数载流子”可以穿过集电结，形成很微小的反偏漏电流。这个少子反偏漏电流一般用I_CBO表示，下标中的“O”表示发射极开路（open）。I_CBO的数量级非常小，一般在纳安级。

      好，理解了前面2个单独的基本偏置情况后，我们将这2个偏置电压同时加上去，如下图所示，看看会发生什么情况：

图 3-2.03 

      由于发射极的掺杂浓度很高，大量发射极的多子（自由电子）会穿过发射结，而进入中间的基区。和先前只有单独发射结偏置的情况不同，现在集电极也有通路。这些进入基区的自由电子，一小部分（和先前一样）从基极端子流出回到发射结偏置电源V_EE，而大部分会继续向前运动，穿越集电结的耗尽层进入集电极，然后从集电极流出回到集电结的偏置电源V_CC的正极，如下图所示（注意电流方向与自由电子运动方向相反）：

图 3-2.04 

      前面说过，基区的宽度非常窄，所以那些从发射极穿越过来的自由电子具有足够的动能可以穿过基区到达集电结。由于集电结本身的反偏是为了阻止基区的“空穴”穿越pn结的（电场方向如上图中的“+-号”所示），而对于这些从发射极乱入过来的自由电子根本没有抵抗之力。只要自由电子能够到达集电结的耗尽层边缘，就会被集电结的耗尽层内建电场给顺势推向集电极。自由电子到达集电区以后，由于偏置电源V_CC正极的吸引作用，最后会流入V_CC的正极，这就构成了集电极多子电流，表示为：I_C多子，这个电流的典型值为毫安极。根据上图我们可以得到发射极电流表达式：I_E = I_BE + I_C多子

      然后，再加上前面说过的由V_CC本身反偏产生的集电结漏电流I_CBO，各电流的分布情况入下图所示：

图 3-2.05 

      如此，在上图中可以看出：

      ● 流入集电极的总电流I_C总的表达式为：I_C总 = I_C多子 + I_CBO

      ● 流入基极的总电流I_B总的表达式为：I_B总 = I_BE - I_CBO

      ● 再加上前面我们得到的发射极电流表达式：I_E = I_BE + I_C多子

      将以上三式联立，消去I_C多子、I_CBO、I_BE，最后可得：

      虽然上面分析的是npn晶体管，但上式对于pnp晶体管也是成立的，在后面的应用中，我们会省略下标中的“总”字，将上式简写成：

      虽然省略了“总”字，但在概念上我们要清楚，电流I_B和电流I_C本质上都是由两股不同的电流叠加构成的。

3.   BJT的共基、共射、共集组态

      在上小节的分析中，我们可以看到：发射结正偏（V_BE>0）、集电结反偏（V_CB>0），外部的两个偏置电压是共用一个基极端子的，这种电路接法，我们称为共基组态（common-base configuration）。

注意：严格来讲，“共基”的含义是指，当BJT构成一个双端口网络时，由于输入端口（port）需要有两个端子（terminal），输出端口也要有两个端子，但BJT总共只有3个端子，故势必有一个端子要被输入端口和输出端口共用。BJT的哪个极的端子被“输入端口和输出端口”共用，就称为“共什么”组态。但现在我们还没有讲BJT输入输出的概念，故这里先用偏置电压的公共端来帮助理解，以后在详细分析各个组态电路的章节中，会引入正确的概念。

      在保持“发射结正偏、集电结反偏”这种偏置时，还可以有别的电路接法：分别是共射组态（common-emitter configuration）和共集组态（common-collector configuration），下面我们仍以npn型晶体管为例，来说明这三种组态的区别。在每种接法中，BJT晶体管的三个端子（发射极、基极、集电极）都可以按实际情况添加电阻（或不接电阻）。如下图所示：

图 3-2.06 

      ● 共基组态：

      上图左边电路，偏置电压V_EE和V_CC在基极出来后共用一个端子，故称为“共基”。偏置情况前面已分析过。

      ● 共射组态：

      上图中间电路，偏置电压V_BB和V_EE在发射极出来后共用一个端子，故称为“共射”。发射结的偏置电压大小为V_BB（正偏），要使集电结反偏，必须要确保偏置电压V_EE大于V_BB，才能使集电极工作在反偏状态。而且由于集电极电流一般为毫安级，在电阻R_C上会产生压降，故一般V_EE要比V_BB再大一点余量才可以。

      ● 共集组态：

      上图右边电路（注意BJT集电极朝下），偏置电压V_BB和V_EE在集电极出来后共用一个端子，故称为“共集”。此时，基极电压小于集电极电压（V_CB>0），故集电结反偏。要使发射结正偏，必须要确保偏置电压V_BB小于V_EE，这样才能使发射极电压比基极电压负得更厉害，而使得V_BE>0，让发射结正偏。

     

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（ end of 3-2 ）

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