BJT的基本工作原理和主要参数

节我们知道PN结半导体具有单相导电的性能，但是由PN结构成的各种二极管(Diode)器件的单相导电性是没办法进行主动控制的，因此这类器件也称为被动器件。与其对应的是能够被主动控制通断的器件，这类器件也可以称为主动器件。这种主动器件一般我们统称为晶体管(Tansistor)，晶体管可以分为以下三类：流控器件BJTs，压控器件FETs，混合结构IGBTs。

图1 晶体管的分类(来源：TOSHIBA Semiconductor)

本文主要分析BJT(Bipolar Junction Transistors)，也就是我们俗称的“三级管”器件的基本工作原理和主要参数。

1、NPN和PNP

我们刚刚接触三极管器件，肯定会有人告诉你三极管有两种：NPN和PNP，那么我们就从这里讲起。如下图1.1所示，左边为NPN三极管结构，右边为PNP三极管结构。通过在NPN三极管基极(Base)加上一个正电流，就能控制三极管导通形成导通电流Ic;通过在NPN三极管基极(Base)加上一个负电流，就能控制三极管导通形成导通电流-Ic。利用这个性质，作为开关管的三极管，NPN常用在低边驱动，PNP常用在高边驱动。感兴趣，关注我，我们后续再对三极管的应用电路进行探讨。

从结构图上看，三极管的结构很简单：N-P-N堆叠和P-N-P堆叠。那么，是不是可以将三极管，看作是两个“背靠背”或者“面对面”的二极管呢?有不少教材或者文章是告诉你可以这样看!但是我是不推荐的，这样看是没办法看到三极管背后运行的机理的，反而很容易误入歧途!

图1.1 NPN 和 PNP结构

2、BJT的工作机理

在进行三极管工作机理分析之前，我们先看下图2.1，从图中我们可以看出三极管并不是简单的“二极管拼接”。其结构和载流子掺杂是经过有意的设计的，主要的特点为：发射极掺杂浓度高，基区薄，集电极面积大。基于这样的结构，一场“当空接龙”就这么开始了。

Base-Emitter 加上正向电压，使得发射结正偏，耗尽层(发射结)变薄，发射区的载流子(电子)扩散能力增强，大量的电子进入基区

基区的特点是很薄，能提供的空穴数量非常少，电子进入基区后，很少一部分电子和空穴进行复合，形成复合电流Ib

大量的电子堆积在基区，很容易进入到集电结的内电场范围内，一旦电子进入集电结的内电场，电子就会在电场的作用下漂移到集电结

到达集电结的电子拥有足够大的空间(低掺杂，大面积)进行自由移动，很难再回头穿过内电场扩散到基区，因此绝大部分的发射极电子穿过基区进入集电极

稍微总结下：发射极电流Ie主要为扩散电流，基极电流Ib为复合电流，集电极电流Ic为漂移电流。并且根据KCL可以得到Ie=Ib+Ic。

我们在分析半导体器件的过程中，一定要牢牢把握各部分载流子状态是“漂移”还是“扩散”。这是我们分析半导体器件特性的基础。

图2.1 NPN 结构和载流子分布

3、从放大到饱和

在应用电路中，三极管最常见的是作为“开关”进行使用，但是我们课本往往都是从如何使用三极管进行信号放大开始讲起的。这里不赘述课本上关于放大电路应用的分析，仅仅从机理层面看看三极管的工作状态是怎么变化的?

谈到三极管的放大作用，那么肯定很熟悉一个前提：“发射结正偏，集电结反偏”。前半句很好理解，发射结正偏了，发射极才能向基区发射多数载流子，这是驱动三极管导通的激励源(Source)。那我们思考一下，如果集电结“零偏或者正偏”，会发生什么情况呢?如图3.1，将三极管的BE 短路，那么三极管等效于一个二极管，输出的电流将受到外部电路条件的影响，基极电压将失去对三极管的控制。

图3.1 三极管集电结“零偏”

以NPN为例，想象一下，如果我们保持三极管的C极开路，那么Ic电流必然等于0。大量的电子堆积在基区，无法进入集电极，从而无法形成集电极电流。

我们再回到“发射结正偏，集电结反偏”的状态，此时聚集在基区的电子将在反偏电场的作用下全部漂移到集电极。如果此时，不断增加Ib电流，更多的电子往基区迁移，集电结的空间电荷区不断被压缩，直到达到Ic的上限(受外部电路限制)，基区进入“饱和状态”。需要注意的是，此时电流由集电极向基极导通，等效的二极管应该是反极性的，这也是我为什么不推荐用二极管模型分析三极管问题的原因之一。

由于集电结和发射结掺杂浓度的不同，电流形成的机理也不一样，所以PN结的管压降也不一样。如图3.2所示，SS8050三极管的饱和特性参数，Vcesat=Vcbsat+Vbesat，可以看出Vce的饱和电压要比Vbe的饱和电压低不少，所以Vcb的电压应该为负!换句话说，集电结是一个反向导通的二极管，但是拥有正向的管压降!

图3.2 SS8050 三极管规格

而在功率半导体中，我们常常分析的是器件的“退饱和”过程，这个过程刚好和以上的分析过程相反。可以参考下面链接，看一看IGBT“退饱和”过程是如何发生的：IGBT 直通短路过程问题分析

4、通用三级管的参数

三极管作为最常用的半导体开关器件，应用十分广泛。在电路设计过程中我们需要对这些参数进行精确的分析，确保三极管工作在一个“舒服”的状态下工作。以一个三极管开关电路作为例子，看看如何考虑三极管参数对电路的影响。

4.1电压参数

三极管SS8050电压有三个参数：VCBO，VCEO，VEBO，可以看出这里最脆弱的是VEB0，也就是发射结的反向电压。因此如果出现反向电压的情况下可以使用一些适当的钳位电路进行负压的钳位，钳位二极管可以放置在BE之间钳位，也可以放置在CE之间进行反向钳位。

对于开关电路如图4.1右，VCC应该不超过VCEO的80%，也就是20V。

4.2电流参数

对于开关三极管，负载电流受外部电路条件限制，Ic=(Vcc-Vcesat)/Rc，该电流不应该超过极值电流的一半，也就是1.5/2=0.75A。

如果我们将Ic电流设置为0.75A，那么此时需要考虑Ib电流不能太小，Ib=(Vbb-Vbesat)/Rb。要求电路在最小的DC Gain情况下也能够保证进入饱和状态，也就是hfe=40，Ib>0.75A/40=18mA。

4.3损耗参数

考虑到三极管的散热，Pd=Vcesat*Ic=0.5V*0.75A=0.375W，发现该功率超出了三极管的散热能力，同时根据热阻计算得到温升为：0.375W*417C/W=156C，严重超出了半导体的驱动能力，需要重新进行计算!

现在我们将电流下降10倍，也就是75mA，由计算可以得到Ib>1.8mA，功率损耗为0.0375W，温升为0.0375W*417C/W=15.6C，假设环境温度最高为85C，那么三极管的结温Tj=85C+15.6C=100.6C，距离规格书的150C结温限值还有50C的余量，满足要求。

从以上的计算中我们也可以看出SS8050 仅拥有信号电路的负载驱动能力，无法作为功率开关进行使用!

图4.1 SS8050 三极管规格