BJT的基本工作原理和主要參數

節我們知道PN結半導體具有單相導電的性能，但是由PN結構成的各種二極管(Diode)器件的單相導電性是沒辦法進行主動控制的，因此這類器件也稱為被動器件。與其對應的是能夠被主動控制通斷的器件，這類器件也可以稱為主動器件。這種主動器件一般我們統稱為晶體管(Tansistor)，晶體管可以分為以下三類：流控器件BJTs，壓控器件FETs，混合結構IGBTs。

圖1 晶體管的分類(來源：TOSHIBA Semiconductor)

本文主要分析BJT(Bipolar Junction Transistors)，也就是我們俗稱的“三級管”器件的基本工作原理和主要參數。

1、NPN和PNP

我們剛剛接觸三極管器件，肯定會有人告訴你三極管有兩種：NPN和PNP，那么我們就從這里講起。如下圖1.1所示，左邊為NPN三極管結構，右邊為PNP三極管結構。通過在NPN三極管基極(Base)加上一個正電流，就能控制三極管導通形成導通電流Ic;通過在NPN三極管基極(Base)加上一個負電流，就能控制三極管導通形成導通電流-Ic。利用這個性質，作為開關管的三極管，NPN常用在低邊驅動，PNP常用在高邊驅動。感興趣，關注我，我們后續再對三極管的應用電路進行探討。

從結構圖上看，三極管的結構很簡單：N-P-N堆疊和P-N-P堆疊。那么，是不是可以將三極管，看作是兩個“背靠背”或者“面對面”的二極管呢?有不少教材或者文章是告訴你可以這樣看!但是我是不推薦的，這樣看是沒辦法看到三極管背后運行的機理的，反而很容易誤入歧途!

圖1.1 NPN 和 PNP結構

2、BJT的工作機理

在進行三極管工作機理分析之前，我們先看下圖2.1，從圖中我們可以看出三極管并不是簡單的“二極管拼接”。其結構和載流子摻雜是經過有意的設計的，主要的特點為：發射極摻雜濃度高，基區薄，集電極面積大?；谶@樣的結構，一場“當空接龍”就這么開始了。

Base-Emitter 加上正向電壓，使得發射結正偏，耗盡層(發射結)變薄，發射區的載流子(電子)擴散能力增強，大量的電子進入基區

基區的特點是很薄，能提供的空穴數量非常少，電子進入基區后，很少一部分電子和空穴進行復合，形成復合電流Ib

大量的電子堆積在基區，很容易進入到集電結的內電場范圍內，一旦電子進入集電結的內電場，電子就會在電場的作用下漂移到集電結

到達集電結的電子擁有足夠大的空間(低摻雜，大面積)進行自由移動，很難再回頭穿過內電場擴散到基區，因此絕大部分的發射極電子穿過基區進入集電極

稍微總結下：發射極電流Ie主要為擴散電流，基極電流Ib為復合電流，集電極電流Ic為漂移電流。并且根據KCL可以得到Ie=Ib+Ic。

我們在分析半導體器件的過程中，一定要牢牢把握各部分載流子狀態是“漂移”還是“擴散”。這是我們分析半導體器件特性的基礎。

圖2.1 NPN 結構和載流子分布

3、從放大到飽和

在應用電路中，三極管最常見的是作為“開關”進行使用，但是我們課本往往都是從如何使用三極管進行信號放大開始講起的。這里不贅述課本上關于放大電路應用的分析，僅僅從機理層面看看三極管的工作狀態是怎么變化的?

談到三極管的放大作用，那么肯定很熟悉一個前提：“發射結正偏，集電結反偏”。前半句很好理解，發射結正偏了，發射極才能向基區發射多數載流子，這是驅動三極管導通的激勵源(Source)。那我們思考一下，如果集電結“零偏或者正偏”，會發生什么情況呢?如圖3.1，將三極管的BE 短路，那么三極管等效于一個二極管，輸出的電流將受到外部電路條件的影響，基極電壓將失去對三極管的控制。

圖3.1 三極管集電結“零偏”

以NPN為例，想象一下，如果我們保持三極管的C極開路，那么Ic電流必然等于0。大量的電子堆積在基區，無法進入集電極，從而無法形成集電極電流。

我們再回到“發射結正偏，集電結反偏”的狀態，此時聚集在基區的電子將在反偏電場的作用下全部漂移到集電極。如果此時，不斷增加Ib電流，更多的電子往基區遷移，集電結的空間電荷區不斷被壓縮，直到達到Ic的上限(受外部電路限制)，基區進入“飽和狀態”。需要注意的是，此時電流由集電極向基極導通，等效的二極管應該是反極性的，這也是我為什么不推薦用二極管模型分析三極管問題的原因之一。

由于集電結和發射結摻雜濃度的不同，電流形成的機理也不一樣，所以PN結的管壓降也不一樣。如圖3.2所示，SS8050三極管的飽和特性參數，Vcesat=Vcbsat+Vbesat，可以看出Vce的飽和電壓要比Vbe的飽和電壓低不少，所以Vcb的電壓應該為負!換句話說，集電結是一個反向導通的二極管，但是擁有正向的管壓降!

圖3.2 SS8050 三極管規格

而在功率半導體中，我們常常分析的是器件的“退飽和”過程，這個過程剛好和以上的分析過程相反?？梢詤⒖枷旅骀溄?，看一看IGBT“退飽和”過程是如何發生的：IGBT 直通短路過程問題分析

4、通用三級管的參數

三極管作為最常用的半導體開關器件，應用十分廣泛。在電路設計過程中我們需要對這些參數進行精確的分析，確保三極管工作在一個“舒服”的狀態下工作。以一個三極管開關電路作為例子，看看如何考慮三極管參數對電路的影響。

4.1電壓參數

三極管SS8050電壓有三個參數：VCBO，VCEO，VEBO，可以看出這里最脆弱的是VEB0，也就是發射結的反向電壓。因此如果出現反向電壓的情況下可以使用一些適當的鉗位電路進行負壓的鉗位，鉗位二極管可以放置在BE之間鉗位，也可以放置在CE之間進行反向鉗位。

對于開關電路如圖4.1右，VCC應該不超過VCEO的80%，也就是20V。

4.2電流參數

對于開關三極管，負載電流受外部電路條件限制，Ic=(Vcc-Vcesat)/Rc，該電流不應該超過極值電流的一半，也就是1.5/2=0.75A。

如果我們將Ic電流設置為0.75A，那么此時需要考慮Ib電流不能太小，Ib=(Vbb-Vbesat)/Rb。要求電路在最小的DC Gain情況下也能夠保證進入飽和狀態，也就是hfe=40，Ib>0.75A/40=18mA。

4.3損耗參數

考慮到三極管的散熱，Pd=Vcesat*Ic=0.5V*0.75A=0.375W，發現該功率超出了三極管的散熱能力，同時根據熱阻計算得到溫升為：0.375W*417C/W=156C，嚴重超出了半導體的驅動能力，需要重新進行計算!

現在我們將電流下降10倍，也就是75mA，由計算可以得到Ib>1.8mA，功率損耗為0.0375W，溫升為0.0375W*417C/W=15.6C，假設環境溫度最高為85C，那么三極管的結溫Tj=85C+15.6C=100.6C，距離規格書的150C結溫限值還有50C的余量，滿足要求。

從以上的計算中我們也可以看出SS8050 僅擁有信號電路的負載驅動能力，無法作為功率開關進行使用!

圖4.1 SS8050 三極管規格