初級模擬電路：3-2 BJT的工作原理

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      和前面介紹二極體的PN結的工作原理一樣，BJT的量子級工作機制也非常複雜，一般教科書上為了幫助學習者能快速理解，也都是用一種簡化模型的方法來介紹BJT的工作機理，一般只需大致瞭解即可。只要記住關鍵的一點：BJT本質上是一種流控電流源（CCCS）。它可以用一個較小的基極電流控制一個較大的集電極電流。與此類似的，晚幾年發明的場效應管（FET）是一種壓控電流源（VCCS），它用一個較小的電壓來控制一個較大的電流。

1.   BJT的結構

      BJT由三層摻雜半導體構成，下麵是npn型和pnp型BJT的簡化結構示意圖與電路符號：

圖 3-2.01 

      圖中的“n”是指n型摻雜半導體材料，“p”是指p型摻雜半導體材料。E表示發射極（Emitter），C表示集電極（Collector），B表示基極（Base）。不管是npn型還是pnp型，都具備以下2個特點：

      （1） 中間的基極材料非常薄，其寬度約為總寬度1/150。

      （2） 中間基極材料的摻雜濃度很低，發射極的摻雜濃度很高，集電極的摻雜濃度介於兩者之間。

      基極的摻雜濃度低，導致了基極中的載流子數量較少，導電能力差。而且由於器件摻雜濃度是不對稱的，故發射極和集電極不能調換方向使用。若調換方向，性能會產生很大差異。

      其中，發射極和基極之間形成的pn結稱為發射結（base-emitter junction），集電極和基極之間形成的pn結稱為集電結（base-collector junction）。

      由於BJT同時包含n和 p這兩種半導體材料，故稱為雙極性（bipolor）。順帶說明一下，雖然我們目前碰到的器件（如：二極體、BJT等）都是雙極性的，但其實單極性（unipolar）器件也是有的，比如肖特基二極體，以後碰到再講。

2.   BJT的工作原理

      回憶一下，在二極體的分析時，我們需要對PN結施加不同方向的偏置電壓。同樣的，BJT內的2個PN結也需要在施加外部偏置電壓的狀態下進行分析。前面說過，BJT作為一種三端子器件，分析起來要更加複雜一些。對於BJT內部的2個PN結：發射結可以正偏也可以反偏，集電結也可以正偏或反偏，那根據排列組合就有4種偏置場景要分析，分別是：（1）發射結和集電結都正偏；（2）發射結正偏、集電結反偏；（3）發射結反偏、集電結正偏；（4）發射結和集電結都反偏。

      所幸，不管是npn型還是pnp型，大多數應用電路中的BJT都只使用一種偏置場景：發射結正偏，集電結反偏；其他3種偏置場景都很少使用，所以我們下麵只重點分析這一種偏置場景，其他3種會在後面其他小節碰到時再稍作介紹。

      下麵我們以npn型晶體管為例來進行偏置分析。我們先在施加一個偏置電壓的時候，將另一個偏置斷開，以解釋某種偏置的基本作用情況，如下圖所示：

圖 3-2.02 

      在上面左圖中，發射結正偏，相當於一個正偏的二極體，正偏電壓使PN結的耗盡層變窄。發射區的摻雜濃度很高，理論上應該有大量的自由電子從發射區穿過發射結，進入基區，形成正偏電流。但與二極體不同的是，由於基區摻雜濃度很低，故其空穴數量有限，只有很小一部分從發射區過來的自由電子能與基區的空穴複合，然後從價帶運動到基極端子，再通過導線回到電源V_EE的正極，從而構成多子電流I_BE。而大部分從發射區過來的自由電子只能滯留基區出不出去，這本身會阻礙發射區的電子繼續進入基區。最後達到平衡時的狀態就是：能持續穿越發射結的自由電子維持在一個很小的數量級，所以這個發射結的正偏電流非常小，流出基極的基極電流I_BE典型值為微安級，遠小於普通二極體的正偏電流。

      基極的空穴運動方向與自由電子相反，也是構成基極電流I_BE的一部分。但由於基極的摻雜濃度很低，故基極的空穴運動我們就不考慮了。

      在上面右圖中，集電結反偏，相當於一個反偏的二極體，反偏電壓使PN結的耗盡層變寬，只有極少數的“少數載流子”可以穿過集電結，形成很微小的反偏漏電流。這個少子反偏漏電流一般用I_CBO表示，下標中的“O”表示發射極開路（open）。I_CBO的數量級非常小，一般在納安級。

      好，理解了前面2個單獨的基本偏置情況後，我們將這2個偏置電壓同時加上去，如下圖所示，看看會發生什麼情況：

圖 3-2.03 

      由於發射極的摻雜濃度很高，大量發射極的多子（自由電子）會穿過發射結，而進入中間的基區。和先前只有單獨發射結偏置的情況不同，現在集電極也有通路。這些進入基區的自由電子，一小部分（和先前一樣）從基極端子流出回到發射結偏置電源V_EE，而大部分會繼續向前運動，穿越集電結的耗盡層進入集電極，然後從集電極流出回到集電結的偏置電源V_CC的正極，如下圖所示（註意電流方向與自由電子運動方向相反）：

圖 3-2.04 

      前面說過，基區的寬度非常窄，所以那些從發射極穿越過來的自由電子具有足夠的動能可以穿過基區到達集電結。由於集電結本身的反偏是為了阻止基區的“空穴”穿越pn結的（電場方向如上圖中的“+-號”所示），而對於這些從發射極亂入過來的自由電子根本沒有抵抗之力。只要自由電子能夠到達集電結的耗盡層邊緣，就會被集電結的耗盡層內建電場給順勢推向集電極。自由電子到達集電區以後，由於偏置電源V_CC正極的吸引作用，最後會流入V_CC的正極，這就構成了集電極多子電流，表示為：I_C多子，這個電流的典型值為毫安極。根據上圖我們可以得到發射極電流表達式：I_E = I_BE + I_C多子

      然後，再加上前面說過的由V_CC本身反偏產生的集電結漏電流I_CBO，各電流的分佈情況入下圖所示：

圖 3-2.05 

      如此，在上圖中可以看出：

      ● 流入集電極的總電流I_C總的表達式為：I_C總 = I_C多子 + I_CBO

      ● 流入基極的總電流I_B總的表達式為：I_B總 = I_BE - I_CBO

      ● 再加上前面我們得到的發射極電流表達式：I_E = I_BE + I_C多子

      將以上三式聯立，消去I_C多子、I_CBO、I_BE，最後可得：

      雖然上面分析的是npn晶體管，但上式對於pnp晶體管也是成立的，在後面的應用中，我們會省略下標中的“總”字，將上式簡寫成：

      雖然省略了“總”字，但在概念上我們要清楚，電流I_B和電流I_C本質上都是由兩股不同的電流疊加構成的。

3.   BJT的共基、共射、共集組態

      在上小節的分析中，我們可以看到：發射結正偏（V_BE>0）、集電結反偏（V_CB>0），外部的兩個偏置電壓是共用一個基極端子的，這種電路接法，我們稱為共基組態（common-base configuration）。

註意：嚴格來講，“共基”的含義是指，當BJT構成一個雙埠網路時，由於輸入埠（port）需要有兩個端子（terminal），輸出埠也要有兩個端子，但BJT總共只有3個端子，故勢必有一個端子要被輸入埠和輸出埠共用。BJT的哪個極的端子被“輸入埠和輸出埠”共用，就稱為“共什麼”組態。但現在我們還沒有講BJT輸入輸出的概念，故這裡先用偏置電壓的公共端來幫助理解，以後在詳細分析各個組態電路的章節中，會引入正確的概念。

      在保持“發射結正偏、集電結反偏”這種偏置時，還可以有別的電路接法：分別是共射組態（common-emitter configuration）和共集組態（common-collector configuration），下麵我們仍以npn型晶體管為例，來說明這三種組態的區別。在每種接法中，BJT晶體管的三個端子（發射極、基極、集電極）都可以按實際情況添加電阻（或不接電阻）。如下圖所示：

圖 3-2.06 

      ● 共基組態：

      上圖左邊電路，偏置電壓V_EE和V_CC在基極出來後共用一個端子，故稱為“共基”。偏置情況前面已分析過。

      ● 共射組態：

      上圖中間電路，偏置電壓V_BB和V_EE在發射極出來後共用一個端子，故稱為“共射”。發射結的偏置電壓大小為V_BB（正偏），要使集電結反偏，必須要確保偏置電壓V_EE大於V_BB，才能使集電極工作在反偏狀態。而且由於集電極電流一般為毫安級，在電阻R_C上會產生壓降，故一般V_EE要比V_BB再大一點餘量才可以。

      ● 共集組態：

      上圖右邊電路（註意BJT集電極朝下），偏置電壓V_BB和V_EE在集電極出來後共用一個端子，故稱為“共集”。此時，基極電壓小於集電極電壓（V_CB>0），故集電結反偏。要使發射結正偏，必須要確保偏置電壓V_BB小於V_EE，這樣才能使發射極電壓比基極電壓負得更厲害，而使得V_BE>0，讓發射結正偏。

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（ end of 3-2 ）