06. 晶体管的结构和直流工作状态

晶体管的结构和直流工作状态

基本结构

半导体有两种：N型半导体和P型半导体，两种半导体内部有多余的负电荷或者是正电荷。制造半导体的主要工艺为掺杂：掺杂有两种类型： p 型掺杂（具有额外的空穴，带正电）和 n 型掺杂（具有额外的电子，带负电）。此外不同半导体的掺杂程度也可以不同，掺杂程度越高（称为重掺杂），半导体导电性能越强。
BJT晶体管/三极管是广泛运用于电子设计中的电路元件，它由三个N型或者P型半导体结合组成，三个半导体既可以是P-N-P，也可以是N-P-N，结合的部分称为PN结。本课主要讲N-P-N型三极管，其结构如下图所示：

三极管有三个输入端，分别为：集电极、基极和发射极，NPN三极管中三者半导体类型如下：

集电极	基极	发射极
N型	P型	N型
中度掺杂	轻度掺杂	重度掺杂
自由电子	空穴	自由电子

由于这样的设计，自由电子只能从集电极/发射极流向基极，而无法从基极流向两边， 因此可以将NPN三极管等效为两个背靠背的二极管：

偏置状态

在外接电源的情况（称为偏置）下，自由电子受到电场的作用从而定向移动：从两端的N型半导体移动到中心的P型半导体。其中的一部分自由电子在基极内部的两侧与空穴结合，从而形成两个枯竭层阻挡自由电子继续前进。硅半导体枯竭层的两侧在25℃条件下具有0.7V的电压差。但是基极通常很薄，且为轻度掺杂，因此大部分的电子仍然可以穿过基极，流向两端。这一过程中，由于发射极为重度掺杂，导电性大于集电极，因此绝大多数电子的流向是从发射极经过基极流向集电极。
自由电子到达集电极后会受到\(V_{cc}\)的吸引，最终流向\(V_{cc}\)的正极。

该过程转化为电流的流向，NPN三极管内部的电流流向如下图所示：

在这样的电流流动情况下，集电极处的等效二极管处于反向偏置状态，发射极处的等效二极管处于正向偏置状态。

三极管的等效电路图如下图所示：

共发射极电路中三极管的电流变化

根据三极管不同的端接地分为不同的连接方式，其中最常见的是发射极接地的情况，称为共发射极电路（Common Emitter connection）：

如果如果信号由晶体管基极输入，从集电极输出。下面在共发射极的电路中讨论基极和集电极的电流变化。

基极的电流变化曲线

探究\(V_{BE}\)对基极电流\(I_B\)的影响：
根据电流图示，基极和发射极之间的等效二极管处于正向偏置状态，可以将\(I_B\)和\(V_{BE}\)之间的关系看做是一个二极管的电压-电流曲线：

通过图像可以看出：这个等效二极管只需要0.7V就可以完全导通。
同时，晶体管在正常工作(\(I_B\)并非非常小)时，基极和发射极之间始终存在压降\(V_{BE}\)。
对于理想三极管\(V_{BE}=0V\)（称为一级近似），对于非理想三极管\(V_{BE}=0.7V\)（称为二级近似）。
根据欧姆定律可以得到基极侧的电流电压关系：
\[I_B=\frac{V_{BB}-V_{BE}}{R_B}\]

集电极的电流变化曲线

探究\(V_{CE}\)对基极电流\(I_C\)的影响：

根据之前的电流图示，可以得到：
\[I_E=I_C+I_B\]

根据上述特性曲线，可以将工作状态分为：饱和、放大、截止三种。此外还有称为击穿的异常工作状态。

放大/线性

放大状态是三极管的正常工作状态，在这种工作状态下，几乎所有的电子都已经流向了集电极。发射极的等效二极管处于前向偏置状态。无论\(V_{CC}\)和\(V_{CE}\)如何变化，集电极的电流\(I_C\)始终只与\(I_B\)有关。 在放大状态下，输入一个较小的\(I_B\)可以输出一个较大的电流信号：\(I_C\)。此时晶体管可以用做放大器。

定义三极管的电流增益: \[β=\frac{I_C}{I_B}\]

电流增益会随着三极管型号、温度和集电极电流\(I_C\) 的不同而变化，在设计放大电路时应当尽量避免\(β\)对电路输出产生影响。

同时定义晶体管的修正系数\(α\)为集电极电流和发射极电流之比:
\[α=\frac{I_C}{I_E}=\frac{β}{β+1}\] 通常认为在\(β>100\)的情况下，\(α≈1\)。

饱和

在饱和工作状态下，几乎所有的自由电子都从发射极流向基极。\(I_B\)大于放大状态的电流。此时\(CE\)间相当于短路，是晶体管用做开关时的导通状态。
由于\(CE\)间相当于短路，饱和状态下集电极环路的电流为：
\[I_{CSat}=\frac{V_{CC}}{R_C}\] 此电流为集电极环路中的最大电流。
> 由于\(β\)与\(I_C\)有关，在饱和状态下，无法使用\(I_C=βI_B\)进行计算。

截止

在截止状态下，\(I_B=0\)，此时\(CE\)之间相当于断路，是是晶体管用做开关时的关断状态。
此时\(V_{CE}\)与供电电压\(V_{CC}\)相等：
\[V_{CEcutoff}=V_{CC}\]

击穿

当\(V_{CE}\)相当大时，晶体管被击穿，晶体管处于永久短路状态，此时的\(I_C\)迅速增大。

直流工作状态

要想使三极管处于开关或者放大器的工作模式，三极管必须处于直流工作状态（即三极管静态工作点就是交流输入信号为零时），在直流工作状态下，对集电极环路进行分析：
\[V_{CE}=V_{CC}-I_CR_C\] \[I_C=-\frac{1}{R_C}V_{CE}+\frac{V_{CC}}{R_C}\] 可以发现当\(V_{CC}\)和\(R_C\)固定时，\(V_{CE}\)和\(I_C\)需要设置为某些特定的值下，才能使得三极管满足直流工作状态，且在直流工作状态下两者成线性关系。这条线称为直流负载线，也是三极管在直流工作状态下的特性曲线。
这条曲线的斜率为\(-\frac{1}{R_C}\)，截距为集电极饱和电流\(\frac{V_{CC}}{R_C}\)，零点为集电极的截止电压。随着\(V_{CE}\)的增大，\(I_C\)逐渐减小。

静态工作点

在直流工作状态下，随着基极电阻的增大，基极电流\(I_B\)会相应的发生变化，不同的\(I_B\)会导致集电极环路中\(V_{CE}\)和\(I_C\)的关系发生变化：

要得到\(I_B\)一定时，三极管处于直流工作状态下对应的\(I_C\)和\(V_{CE}\)，应当在此图上作出直流负载曲线，与\(V_{CE}\)和\(I_C\)的关系曲线的交点即为所求。该交点称为三极管的静态工作点（Q Point），表示三极管处于直流工作状态下，\(I_B\)为某个固定值时\(I_C\)和\(V_{CE}\)的值。

从图上可以看出，当基极的电流增益\(β\)非常大时，\(I_B\)不变的情况下（称为Base-Biasing），\(I_C\)随之升高，可能会使\(V_{CE}\)非常小，甚至接近短路，使得静态工作点位于饱和区域。同理，当基极的电流增益\(β\)非常小时，\(V_{CE}\)非常大，甚至接近断路，使得静态工作点位于截止区域。

在三极管用做放大器时，静态工作点位于放大区域。在此状态下，三极管可以生成非常稳定的电流增益，防止电路产生非线性失真。
在三极管用做开关时，静态工作点在饱和和截止区域之间切换。此状态方便用数字信号进行表达：当静态工作点处于饱和区域时，数字信号为1，处于截止区域时，代表的数字信号为0。