簡(jiǎn)單的二極管由兩片半導(dǎo)體材料組成，形成一個(gè)簡(jiǎn)單的PN結(jié)，如果將兩個(gè)單獨(dú)的信號(hào)二極管背靠背連接在一起，這樣會(huì)提供兩個(gè)串聯(lián)在一起的PN結(jié)，它們將共享一個(gè)公共的正極(P)或負(fù)極(N)端子。這兩個(gè)二極管的融合產(chǎn)生了一個(gè)三層、兩個(gè)結(jié)、三端器件，形成了雙極結(jié)型晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)BJT。
眾所周知，晶體管是由不同半導(dǎo)體材料制成的三端有源器件，通過(guò)施加小信號(hào)電壓可以充當(dāng)絕緣體或?qū)w。晶體管在這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的能力使其具有兩種基本功能：“開(kāi)關(guān)”(數(shù)字電子)或“放大”(模擬電子)。然后雙極晶體管有能力在三個(gè)不同的區(qū)域內(nèi)工作：
有源區(qū)——晶體管作為放大器運(yùn)行，Ic=β*Ib
飽和度區(qū)——晶體管“完全導(dǎo)通”，作為開(kāi)關(guān)運(yùn)行，Ic=I(飽和度)
截止區(qū)——晶體管“完全關(guān)閉”，作為開(kāi)關(guān)運(yùn)行，Ic=0
Transistor這個(gè)詞是Transfer Varistor這兩個(gè)詞的組合，它描述了它們?cè)陔娮娱_(kāi)發(fā)早期的工作模式。雙極晶體管結(jié)構(gòu)有兩種基本類(lèi)型，PNP和NPN，它們基本上描述了制造它們的P型和N型半導(dǎo)體材料的物理排列。
雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)
雙極結(jié)型晶體管的基本結(jié)構(gòu)由兩個(gè)PN結(jié)組成，產(chǎn)生三個(gè)連接端子，每個(gè)端子都有一個(gè)名稱(chēng)，以區(qū)別于其他兩個(gè)端子。這三個(gè)端子是已知的，并分別標(biāo)記為發(fā)射器( E )、基極( B ) 和收集器( C )。
雙極結(jié)型晶體管是電流調(diào)節(jié)器件，可控制從發(fā)射極流向集電極端子的電流量，與施加到其基極端子的偏置電壓量成比例，因此其作用類(lèi)似于電流控制開(kāi)關(guān)。由于流入基極端子的小電流控制形成晶體管動(dòng)作基礎(chǔ)的更大集電極電流。
這兩種晶體管類(lèi)型PNP和NPN的工作原理完全相同，唯一的區(qū)別在于它們的偏置和每種類(lèi)型的電源極性。
下圖給出了PNP和NPN雙極晶體管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)，電路符號(hào)中的箭頭始終表示基極端子和發(fā)射極端子之間“常規(guī)電流”的方向。對(duì)于兩種晶體管類(lèi)型，箭頭的方向始終從正P型區(qū)域指向負(fù)N型區(qū)域，與標(biāo)準(zhǔn)二極管符號(hào)完全相同。
雙極結(jié)型晶體管配置原理
由于雙極結(jié)型晶體管是一種三端子器件，因此基本上有三種可能的方式將其連接到電子電路中，其中一個(gè)端子對(duì)輸入和輸出信號(hào)都是公共的。由于晶體管的靜態(tài)特性隨每個(gè)電路布置而變化，因此每種連接方法對(duì)電路內(nèi)的輸入信號(hào)的響應(yīng)不同。
公共基礎(chǔ)配置——有電壓增益但沒(méi)有電流增益。
通用發(fā)射極配置——同時(shí)具有電流和電壓增益。
公共集電極配置——有電流增益但沒(méi)有電壓增益。
1、公共基礎(chǔ) (CB) 配置
顧名思義，在通用底座或接地底座配置中，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都使用BASE連接。輸入信號(hào)施加在晶體管基極和發(fā)射極端子之間，而相應(yīng)的輸出信號(hào)來(lái)自基極和集電極端子之間，如下圖所示。基極接地或可以連接到某個(gè)固定的參考電壓點(diǎn)。
流入發(fā)射極的輸入電流相當(dāng)大，因?yàn)樗謩e是基極電流和集電極電流的總和，因此，集電極電流輸出小于發(fā)射極電流輸入，導(dǎo)致此類(lèi)電路的電流增益為“1” (單位)或更少，換句話(huà)說(shuō)，公共基本配置“衰減”輸入信號(hào)。
這種類(lèi)型的放大器配置是非反相電壓放大器電路，因?yàn)樾盘?hào)電壓Vin和Vout是“同相”的。由于其異常高的電壓增益特性，這種類(lèi)型的晶體管布置不是很常見(jiàn)。它的輸入特性代表正向偏置二極管的特性，而輸出特性代表發(fā)光光電二極管的特性。
此外，這種類(lèi)型的雙極晶體管配置具有很高的輸出與輸入電阻比，或更重要的是“負(fù)載”電阻 ( RL ) 與“輸入”電阻 ( Rin ) 的比值，使其具有“電阻增益”值。因此，通用基本配置的電壓增益 ( Av ) 為：
其中：Ic/Ie是電流增益，alpha ( α ) 和RL/Rin是電阻增益。
共基極電路由于其非常好的高頻響應(yīng)，一般僅用于單級(jí)放大器電路，例如麥克風(fēng)前置放大器或射頻 ( Rƒ) 放大器。
2、共發(fā)射極 (CE) 配置
在共發(fā)射極或接地發(fā)射極配置中，輸入信號(hào)施加在基極和發(fā)射極之間，而輸出來(lái)自集電極和發(fā)射極之間，如下圖所示。這種類(lèi)型的配置是基于晶體管的放大器最常用的電路，它代表了雙極晶體管連接的“正常”方法。
共射極放大器配置在所有三種雙極晶體管配置中產(chǎn)生最高的電流和功率增益。這主要是因?yàn)檩斎胱杩沟停驗(yàn)樗B接到正向偏置 PN 結(jié)，而輸出阻抗高，因?yàn)樗鼇?lái)自反向偏置 PN 結(jié)。
在這種類(lèi)型的配置中，流出晶體管的電流必須等于流入晶體管的電流，因?yàn)榘l(fā)射極電流為Ie=Ic + Ib。
由于負(fù)載電阻 ( R L) 與集電極串聯(lián)，因此共發(fā)射極晶體管配置的電流增益非常大，因?yàn)樗荌c/Ib的比率。晶體管電流增益的希臘符號(hào)為Beta，( β )。
共發(fā)射極配置的發(fā)射極電流定義為Ie=Ic+Ib ，因此Ic/Ie的比率稱(chēng)為Alpha，希臘符號(hào)為α。注意：Alpha的值總是小于單位。
這三個(gè)電流Ib、Ic和Ie之間的電氣關(guān)系是由晶體管本身的物理結(jié)構(gòu)決定的，因此基極電流 ( Ib ) 的任何微小變化都會(huì)導(dǎo)致集電極電流 ( Ic )發(fā)生更大的變化。
此外，流入基極的電流的微小變化將因此控制發(fā)射極-集電極電路中的電流。通常，對(duì)于大多數(shù)通用晶體管， Beta的值在20到200之間。因此，如果晶體管的Beta值為100，則發(fā)射極—集電極之間每流過(guò)100 個(gè)電子，就會(huì)有一個(gè)電子從基極流出。
通過(guò)結(jié)合Alpha、α和Beta、β的表達(dá)式，這些參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系以及晶體管的電流增益關(guān)系如下：
其中：“ Ic ”為流入集電極端子的電流，“ Ib ”為流入基極端子的電流，“ Ie ”為流出發(fā)射極端子的電流。
稍微總結(jié)一下，這種類(lèi)型的雙極晶體管配置具有比共基極配置更大的輸入阻抗、電流和功率增益，但其電壓增益要低得多。共發(fā)射極配置是一個(gè)反相放大器電路。這意味著產(chǎn)生的輸出信號(hào)相對(duì)于輸入電壓信號(hào)具有180°的相移。
3、通用收集器 (CC) 配置
在公共集電極或接地集電極配置中，集電極通過(guò)電源連接到地，因此集電極端子對(duì)輸入和輸出都是公共的。輸入信號(hào)直接連接到基極端子，而輸出信號(hào)取自發(fā)射極負(fù)載電阻，如下圖所示。這種類(lèi)型的配置通常稱(chēng)為電壓跟隨器或發(fā)射極跟隨器電路。
公共集電極或射極跟隨器配置對(duì)于阻抗匹配應(yīng)用非常有用，因?yàn)樗哂蟹浅８叩妮斎胱杩梗跀?shù)十萬(wàn)歐姆的范圍內(nèi)，同時(shí)具有相對(duì)較低的輸出阻抗。
共發(fā)射極配置的電流增益大約等于晶體管本身的β值。然而，在共集電極配置中，負(fù)載電阻與發(fā)射極端子串聯(lián)，因此其電流等于發(fā)射極電流。
由于發(fā)射極電流是集電極和基極電流的組合，因此這種晶體管配置中的負(fù)載電阻也同時(shí)具有集電極電流和基極的輸入電流流過(guò)它。那么電路的電流增益為：
這種類(lèi)型的雙極晶體管配置是非反相電路，因?yàn)閂in和Vout的信號(hào)電壓是“同相”的。公共集電極配置的電壓增益約為“1”(單位增益)。因此它可以被認(rèn)為是一個(gè)電壓緩沖器，因?yàn)殡妷涸鲆媸墙y(tǒng)一的。
公共集電極晶體管的負(fù)載電阻同時(shí)接收基極和集電極電流，從而提供大的電流增益(與共發(fā)射極配置一樣)，從而以非常小的電壓增益提供良好的電流放大。
在查看了三種不同類(lèi)型的雙極晶體管配置之后，現(xiàn)在可以總結(jié)流經(jīng)每條腿的晶體管的各個(gè)直流電流與其上面給出的直流電流增益之間的各種關(guān)系，如下表所示。
請(qǐng)注意，盡管在這里查看了NPN雙極晶體管配置，但PNP晶體管在每種配置中都同樣有效，因?yàn)橛?jì)算都是相同的，就像放大信號(hào)的非反相一樣。唯一的區(qū)別在于電壓極性和電流方向。
總結(jié)
上述每種電路配置中雙極晶體管的行為都非常不同，并且在輸入阻抗，輸出阻抗和增益方面產(chǎn)生不同的電路特性，無(wú)論是電壓增益，電流增益還是功率增益。
下表給出了晶體管不同配置的一般特性：
以上就是關(guān)于雙極結(jié)型晶體管(BJT)工作原理和主要特性的相關(guān)知識(shí)介紹，由于雙極結(jié)型晶體管是一種半導(dǎo)體器件，可用于開(kāi)關(guān)或放大，所以在日常生活中應(yīng)用也非常廣泛，感興趣的朋友可以查閱相關(guān)資料進(jìn)行詳細(xì)了解。
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