我們知道PN結(jié)半導(dǎo)體具有單相導(dǎo)電的性能，但是由PN結(jié)構(gòu)成的各種二極管（Diode）器件的單相導(dǎo)電性是沒辦法進(jìn)行主動控制的，因此這類器件也稱為 被動器件 。與其對應(yīng)的是能夠被主動控制通斷的器件，這類器件也可以稱為 主動器件 。這種主動器件一般我們統(tǒng)稱為晶體管（Tansistor），晶體管可以分為以下三類：流控器件BJTs，壓控器件FETs，混合結(jié)構(gòu)IGBTs。

圖1 晶體管的分類（來源：TOSHIBA Semiconductor）

本文主要分析BJT（Bipolar Junction Transistors），也就是我們俗稱的“三級管”器件的基本工作原理和主要參數(shù)。

1、NPN和PNP

我們剛剛接觸三極管器件，肯定會有人告訴你三極管有兩種： NPN和PNP ，那么我們就從這里講起。如下圖1.1所示，左邊為NPN三極管結(jié)構(gòu)，右邊為PNP三極管結(jié)構(gòu)。通過在NPN三極管基極（Base）加上一個 正電流 ，就能控制三極管導(dǎo)通形成導(dǎo)通電流Ic；通過在NPN三極管基極（Base）加上一個 負(fù)電流 ，就能控制三極管導(dǎo)通形成導(dǎo)通電流-Ic。利用這個性質(zhì)，作為開關(guān)管的三極管，NPN常用在低邊驅(qū)動，PNP常用在高邊驅(qū)動。感興趣，關(guān)注我，我們后續(xù)再對三極管的應(yīng)用電路進(jìn)行探討。

從結(jié)構(gòu)圖上看，三極管的結(jié)構(gòu)很簡單：N-P-N堆疊和P-N-P堆疊。那么，是不是可以將三極管，看作是兩個“背靠背”或者“面對面”的二極管呢？有不少教材或者文章是告訴你可以這樣看！但是我是 不推薦的 ，這樣看是沒辦法看到三極管背后運(yùn)行的機(jī)理的，反而很容易誤入歧途！

圖1.1 NPN 和 PNP結(jié)構(gòu)

2、BJT的工作機(jī)理

在進(jìn)行三極管工作機(jī)理分析之前，我們先看下圖2.1，從圖中我們可以看出三極管并 不是簡單的“二極管拼接” 。其結(jié)構(gòu)和載流子摻雜是經(jīng)過有意的設(shè)計的，主要的特點(diǎn)為： 發(fā)射極摻雜濃度高，基區(qū)薄，集電極面積大 ?；谶@樣的結(jié)構(gòu)，一場“當(dāng)空接龍”就這么開始了。

1. Base-Emitter 加上正向電壓，使得發(fā)射結(jié)正偏，耗盡層（發(fā)射結(jié)）變薄，發(fā)射區(qū)的載流子（電子） 擴(kuò)散能力增強(qiáng) ，大量的電子進(jìn)入基區(qū)
2. 基區(qū)的特點(diǎn)是很薄，能提供的空穴數(shù)量非常少，電子進(jìn)入基區(qū)后，很少一部分電子和空穴進(jìn)行復(fù)合，形成復(fù)合電流Ib
3. 大量的電子堆積在基區(qū)，很容易進(jìn)入到集電結(jié)的內(nèi)電場范圍內(nèi)，一旦電子進(jìn)入集電結(jié)的內(nèi)電場，電子就會在電場的作用下漂移到集電結(jié)
4. 到達(dá)集電結(jié)的電子擁有足夠大的空間（低摻雜，大面積）進(jìn)行自由移動，很難再回頭穿過內(nèi)電場擴(kuò)散到基區(qū)，因此絕大部分的發(fā)射極電子穿過基區(qū)進(jìn)入集電極

稍微總結(jié)下：發(fā)射極電流Ie主要為 擴(kuò)散電流 ，基極電流Ib為 復(fù)合電流 ，集電極電流Ic為 漂移電流 。并且根據(jù)KCL可以得到Ie=Ib+Ic。

我們在分析半導(dǎo)體器件的過程中，一定要牢牢把握各部分載流子狀態(tài)是“漂移”還是“擴(kuò)散”。這是我們分析半導(dǎo)體器件特性的基礎(chǔ)。

圖2.1 NPN 結(jié)構(gòu)和載流子分布

3、從放大到飽和

在應(yīng)用電路中，三極管最常見的是作為“開關(guān)”進(jìn)行使用，但是我們課本往往都是從如何使用三極管進(jìn)行信號放大開始講起的。這里不贅述課本上關(guān)于放大電路應(yīng)用的分析，僅僅從機(jī)理層面看看三極管的工作狀態(tài)是怎么變化的？

談到三極管的放大作用，那么肯定很熟悉一個前提： “發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏” 。前半句很好理解，發(fā)射結(jié)正偏了，發(fā)射極才能向基區(qū)發(fā)射多數(shù)載流子，這是驅(qū)動三極管導(dǎo)通的激勵源（Source）。那我們思考一下，如果集電結(jié)“零偏或者正偏”，會發(fā)生什么情況呢？如圖3.1，將三極管的BE 短路，那么三極管等效于一個二極管，輸出的電流將受到外部電路條件的影響， 基極電壓將失去對三極管的控制 。

圖3.1 三極管集電結(jié)“零偏”

以NPN為例，想象一下，如果我們保持三極管的C極開路，那么Ic電流必然等于0。大量的電子堆積在基區(qū)，無法進(jìn)入集電極，從而無法形成集電極電流。

我們再回到“發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏”的狀態(tài)， 此時聚集在基區(qū)的電子將在反偏電場的作用下全部漂移到集電極 。如果此時，不斷增加Ib電流，更多的電子往基區(qū)遷移，集電結(jié)的空間電荷區(qū)不斷被壓縮，直到達(dá)到Ic的上限（受外部電路限制），基區(qū)進(jìn)入 “飽和狀態(tài)” 。需要注意的是，此時電流由集電極向基極導(dǎo)通，等效的二極管應(yīng)該是反極性的，這也是我為什么不推薦用二極管模型分析三極管問題的原因之一。

由于集電結(jié)和發(fā)射結(jié)摻雜濃度的不同，電流形成的機(jī)理也不一樣，所以PN結(jié)的管壓降也不一樣。如圖3.2所示，SS8050三極管的飽和特性參數(shù)，Vcesat=Vcbsat+Vbesat，可以看出Vce的飽和電壓要比Vbe的飽和電壓低不少，所以 Vcb的電壓應(yīng)該為負(fù) ！換句話說，集電結(jié)是一個反向?qū)ǖ亩O管，但是擁有正向的管壓降！

圖3.2 SS8050 三極管規(guī)格

而在功率半導(dǎo)體中，我們常常分析的是器件的“退飽和”過程，這個過程剛好和以上的分析過程相反?？梢詤⒖枷旅骀溄?，看一看 IGBT“退飽和” 過程是如何發(fā)生的：IGBT 直通短路過程問題分析

4、通用三級管的參數(shù)

三極管作為最常用的半導(dǎo)體開關(guān)器件，應(yīng)用十分廣泛。在電路設(shè)計過程中我們需要對這些參數(shù)進(jìn)行精確的分析，確保三極管工作在一個“舒服”的狀態(tài)下工作。以一個三極管開關(guān)電路作為例子，看看如何考慮三極管參數(shù)對電路的影響。

4.1電壓參數(shù)

三極管SS8050電壓有三個參數(shù)：VCBO，VCEO，VEBO，可以看出這里最脆弱的是VEB0，也就是發(fā)射結(jié)的反向電壓。因此如果出現(xiàn)反向電壓的情況下可以使用一些適當(dāng)?shù)你Q位電路進(jìn)行負(fù)壓的鉗位，鉗位二極管可以放置在BE之間鉗位，也可以放置在CE之間進(jìn)行反向鉗位。

對于開關(guān)電路如圖4.1右，VCC應(yīng)該不超過VCEO的80%，也就是20V。

4.2電流參數(shù)

對于開關(guān)三極管，負(fù)載電流受外部電路條件限制，Ic=(Vcc-Vcesat)/Rc，該電流不應(yīng)該超過極值電流的一半，也就是1.5/2=0.75A。

如果我們將Ic電流設(shè)置為0.75A，那么此時需要考慮Ib電流不能太小，Ib=(Vbb-Vbesat)/Rb。要求電路在最小的DC Gain情況下也能夠保證進(jìn)入飽和狀態(tài)，也就是hfe=40，Ib>0.75A/40=18mA。

4.3損耗參數(shù)

考慮到三極管的散熱，Pd=Vcesat*Ic=0.5V*0.75A=0.375W，發(fā)現(xiàn)該功率超出了三極管的散熱能力，同時根據(jù)熱阻計算得到溫升為：0.375W*417C/W=156C，嚴(yán)重超出了半導(dǎo)體的驅(qū)動能力，需要重新進(jìn)行計算！

現(xiàn)在我們將電流下降10倍，也就是75mA，由計算可以得到Ib>1.8mA，功率損耗為0.0375W，溫升為0.0375W*417C/W=15.6C，假設(shè)環(huán)境溫度最高為85C，那么三極管的結(jié)溫Tj=85C+15.6C=100.6C，距離規(guī)格書的150C結(jié)溫限值還有50C的余量，滿足要求。

從以上的計算中我們也可以看出SS8050 僅擁有信號電路的負(fù)載驅(qū)動能力，無法作為功率開關(guān)進(jìn)行使用！

圖4.1 SS8050 三極管規(guī)格

參考資料：

1. https://blog.csdn.net/Naiva/article/details/90045788
2. 《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（模擬部分），第四版
3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/541139096