三个区域如何协同

双极结型晶体管,简称BJT,是以两个相邻PN结及三个半导体区域构成的晶体管。其端子分别为发射极、基极和集电极,按区域排列分为NPN型与PNP型。它不是以栅极电场调节沟道的场效应晶体管,也不能与早期点接触晶体管不加区分地互换名称。

以NPN管的正向放大状态为例,发射结正向偏置,使电子从发射极注入基区。基区很薄,其中一部分电子参与复合,多数则穿过基区,在反向偏置的集电结作用下被收集。维持这一过程需要基极电流,而集电极电流可明显大于基极电流。PNP管的主要注入载流子换为空穴,电压与电流方向也相应改变。

参考:[1] [2]

放大、截止与饱和

正向放大区的条件是发射结正向偏置、集电结反向偏置。在适用范围内,常用集电极电流约等于基极电流乘以电流增益β来描述电路。截止时发射结没有获得足够的正向偏置,电流很小,但真实器件仍可能有漏电流,不能把截止理解为绝对零电流。

饱和则是两个结都正向偏置的状态。此时集电极电流主要受外部电源与负载限制,不能继续依照放大区的β任意增长。把BJT用作接地侧开关时,可由基极驱动使其进入饱和来接通负载;但饱和压降不为零,关断还可能需要移走储存电荷,因此并非无损、瞬时的理想开关。

参考:[2] [3]

先确定工作点,再谈放大

放大小交流信号前,通常先设置静态工作点,使输入变化时器件仍留在放大区。若工作点过近截止或饱和边界,输出的一部分会被削平。共射极电路中,集电极电流增加会增大集电极电阻上的压降,因而使集电极输出电压下降,形成反相响应。

电流增益不是某种型号永远不变的常数。2N3904数据表在规定测试条件下,给出集电极电流10毫安、集射极电压1伏时直流电流增益为100至300;换用不同电流,保证值也会改变。这个范围不能推广到所有温度或所有工作状态。偏置若只依赖一个假定的β,换管或温度变化后工作点就可能偏移。

参考:[2] [3]

稳定偏置与模型边界

一种常见改进是用分压网络提供基极偏置,并在发射极加入电阻。在适当设计下,电流增大使发射极电压上升,从而削弱发射结的正向驱动,形成抑制变化的负反馈。它能减小对器件增益变化的敏感性,但不能消除所有温度影响,电阻也会占用电压裕量并改变放大特性。

“小基极电流控制大集电极电流”是方便的电路近似,不是全部器件物理。在快速变化的信号下,结电容、载流子输运时间和电荷储存都会影响响应。应按工作频率、偏置与信号幅度选用小信号或开关模型,并把数据表中带有测试条件的增益、压降和时间参数用于相应场景。

参考:[1] [2] [3]