雙極晶體管的原理/特點及應(yīng)用

“晶體管”現(xiàn)在可以分為多種類型，每種類型具有不同的功能和結(jié)構(gòu)，例如FET、MOS FET、CMOS等也是廣義上的晶體管。當(dāng)然，它仍然是有源的，主要用于電壓/信號放大和開關(guān)控制。在本文中，工程師將解釋這種雙極晶體管是什么，以及它的原理、機制和特點。

一、什么是雙極晶體管？

晶體管是一種半導(dǎo)體元件，可以放大很小的電壓或信號，或在電子電路中進(jìn)行開關(guān)以控制信號的開/關(guān)。傳統(tǒng)上，放大是使用真空管進(jìn)行的，但它的特點是物理尺寸大，功耗高。

然而，隨著 1947 年美國貝爾實驗室晶體管的發(fā)展，電子設(shè)備將發(fā)生巨大的變化。第一個晶體管被稱為點接觸晶體管，但次年發(fā)明了結(jié)型晶體管——電流雙極型晶體管，極大地促進(jìn)了設(shè)備的小型化、高精度、高效率、低功耗。

自從1968 年引入CMOS 技術(shù)后，后來被歸類為單極晶體管，這種易于集成的晶體管逐漸成為主流，但正如最初介紹的那樣，雙極晶體管也有，用途還不少。這種雙極晶體管與單極晶體管的區(qū)別在于，空穴和自由電子都參與了半導(dǎo)體中前者的操作。

在后者中，操作涉及空穴或自由電子。換句話說，它被稱為雙極，因為它在其操作中同時涉及正負(fù)載流子。此外，雙極晶體管是電流驅(qū)動的，而單極晶體管是電壓驅(qū)動的。

二、雙極晶體管的原理

半導(dǎo)體可分為p型和n型，簡單地說，p型半導(dǎo)體有空穴，它缺乏電子。相反，n型半導(dǎo)體有過剩的自由電子。二極管和晶體管結(jié)合使用p型和n型半導(dǎo)體，但雙極型晶體管采取pnp或npn等示意圖。這被稱為PNP 半導(dǎo)體或 NPN 半導(dǎo)體。而端子從每一個出來，一個叫做發(fā)射極，另一個是集電極，中間夾著半導(dǎo)體的中間端子叫做基極。

發(fā)射極發(fā)射自由電子，旨在安裝在集電極側(cè)的空穴中。無論是 PNP 還是 NPN，僅通過從發(fā)射極或集電極施加電壓就不會產(chǎn)生電流。這是因為在PNP晶體管的情況下，當(dāng)從發(fā)射極側(cè)施加正電壓時，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間形成耗盡層。

但是，通過對基極施加正電壓，從基極側(cè)供給自由電子，空穴向集電極側(cè)移動而不會被N型半導(dǎo)體捕獲，結(jié)果電流可以流動。在NPN晶體管的情況下，當(dāng)從集電極側(cè)施加+電壓時，發(fā)射極側(cè)n型半導(dǎo)體的自由電子和p型半導(dǎo)體的空穴結(jié)合，耗盡層也形成。

然而，當(dāng)從基極施加正電壓時，自由電子流向基極側(cè)，剩余的自由電子流向集電極側(cè)，因為p型半導(dǎo)體的空穴不適合。這是因為中間的半導(dǎo)體是極薄的薄膜，并且電流流動。由于這種機制，向基極施加電壓有時稱為“偏置”。所以，NPN晶體管是主流市場的原因也是這個。

此時，從基極流出的自由電子為電流創(chuàng)造了一條通路，因此有時也稱為“基極電流”，但基極電流即使是非常微弱的信號也能起到上述作用。此外，它不僅承載電流。由于發(fā)射極側(cè)和集電極側(cè)的載流子一起發(fā)射，因此信號被放大。

這就是晶體管的主要原理和機理，基極和發(fā)射極為PN結(jié)，結(jié)構(gòu)與二極管相同。因此，為了使基極電流從基極偏置并允許基極電流流動，需要將基極電壓保持在比發(fā)射極電壓高 0.6 至 0.7V。這里產(chǎn)生的電位差稱為結(jié)飽和電壓，是開/關(guān)切換操作的原理。

三、雙極晶體管的特點及應(yīng)用

要了解雙極型晶體管的特性，將其與 MOS FET 和 CMOS 等單極型晶體管進(jìn)行比較更容易。首先，很容易獲得增益（增益，即輸入/輸出電壓的比值）。

如上所述，晶體管是放大電流和信號的元件，但它表明在需要高放大系數(shù)的電路中使用雙極晶體管更有效。然而，雖然可以放大微小信號，但電流至少足以操作晶體管是必不可少的。與單極晶體管一樣，即使集電極電壓發(fā)生變化，集電極電流也具有保持恒定的特性，這稱為恒流特性。

雙極晶體管在高頻操作方面也很出色。如今，數(shù)字電路正變得越來越主流，但許多電路都在高頻下工作。在這種情況下，可能會出現(xiàn)電磁噪聲，但雙極晶體管具有高噪聲特性并且對此類電路有效。另一方面，因為它是電流驅(qū)動的，它比電壓驅(qū)動的單極晶體管消耗更多的功率。此外，可以說單極晶體管在開關(guān)速度和尺寸減小方面更勝一籌。例如，放大器、石英鐘和RTC（實時時鐘）等振蕩電路、溫度傳感器、靜電放電處理等。