電力電子科學(xué)筆記：PNP和NPN晶體管

如果我們嘗試將pn結(jié)焊接到np結(jié)上，我們會(huì)得到如圖1所示的器件，其中字母E、B和C分別表示發(fā)射極、基極和集電極。這是對(duì)p、n、p三個(gè)區(qū)域的命名。

這樣我們就創(chuàng)建了一個(gè)PNP型晶體管。

圖1：PNP型晶體管。每個(gè)區(qū)域的大小表示

相反，如果我們將np結(jié)焊接到pn結(jié)上，我們就會(huì)得到如圖2所示的器件，其中E、B和C在摻雜方面的作用顛倒了。結(jié)果就是一個(gè)NPN型晶體管。在這兩種配置中，器件均由JE和JC結(jié)組成。

圖2：NPN型晶體管

晶體管也被稱為半導(dǎo)體三極管，因?yàn)樗鼧?biāo)志著真空管的終結(jié)，就像結(jié)型二極管取代了真空二極管一樣。另一個(gè)常見(jiàn)名稱則是BJT，即雙極結(jié)型晶體管的縮寫(xiě)。雙極屬性是指半導(dǎo)體中的導(dǎo)電性（由電子和空穴決定）。

在圖3中，我們可以看到PNP晶體管的電路符號(hào)，其呈現(xiàn)方式主要是為了突出與圖1中圖表的關(guān)系。同樣，圖4顯示了NPN晶體管的符號(hào)。

圖3：PNP晶體管的電路符號(hào)

圖4：NPN晶體管的電路符號(hào)

開(kāi)路晶體管

讓我們以PNP晶體管為例（結(jié)果也可以馬上推廣到NPN晶體管）。在開(kāi)路條件下，我們預(yù)期會(huì)出現(xiàn)與單結(jié)類似的行為，即存在接觸電勢(shì)（請(qǐng)參閱之前的教程），這實(shí)際上是一個(gè)勢(shì)壘，其目的是阻止空穴從發(fā)射極向基極擴(kuò)散。如果沒(méi)有這樣的勢(shì)壘，空穴就會(huì)無(wú)限地向基極擴(kuò)散，這顯然不符合物理情況，因?yàn)槲覀冋幱陂_(kāi)路條件下。如果V0是JE結(jié)處勢(shì)壘的高度，那么相似的論證讓我們可以說(shuō)，JC結(jié)上存在勢(shì)壘V‘。假設(shè)各個(gè)區(qū)域p，n，p具有相同的雜質(zhì)濃度，我們有V0=V′。

熱平衡的實(shí)現(xiàn)將通過(guò)單個(gè)區(qū)域的少數(shù)載流子濃度的恒定值來(lái)表征：

我們采用了以下慣例：主字母表示載流子（電子、空穴），第一個(gè)下標(biāo)表示其所屬區(qū)域。例如，符號(hào)np告訴我們正在考慮p區(qū)域中的電子（因此是少數(shù)電荷）。最后，第三個(gè)下標(biāo)0表示系統(tǒng)在溫度T0（不一定是室溫）下處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。

需要注意的是，我們忽略了耗盡層（在之前的教程中討論過(guò)），因?yàn)榕c雙結(jié)層相比，它的大小可以忽略不計(jì)。

在p型區(qū)域中，濃度n相同，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)這些區(qū)域是相同的。如果在笛卡爾坐標(biāo)系中，我們?cè)跈M坐標(biāo)上標(biāo)出構(gòu)成PNP晶體管的雙結(jié)的線性尺寸，在縱坐標(biāo)上標(biāo)出單一區(qū)域中少數(shù)載流子的濃度（方程（1）），那么在熱力學(xué)和開(kāi)路平衡狀態(tài)下我們將得到如圖5所示的趨勢(shì)，其中我們假設(shè)pn0》np0。

還應(yīng)該指出的是，少數(shù)載流子濃度和開(kāi)路條件下嚴(yán)格不變的趨勢(shì)是平均操作的結(jié)果，因?yàn)檫@些量圍繞著平均值（即測(cè)量值）波動(dòng)。

圖5：開(kāi)路NPN晶體管中少數(shù)載流子濃度的趨勢(shì)

晶體管偏置

由于存在兩個(gè)結(jié)和三個(gè)端子，因此極化組合比二極管更多。像前面一樣，讓我們參考PNP晶體管，直接反向偏置JE和JC。在圖6中，顯示了這種極化配置，而圖7則是相應(yīng)的電路圖。準(zhǔn)確地說(shuō)，我們有一個(gè)電壓發(fā)生器，其電壓為VEB，而VCC表示連接到JC的電池產(chǎn)生的電壓。VCB用來(lái)表示集電極和基極之間的電位差。

圖6：JE結(jié)正向偏置，而JC結(jié)反向偏置

圖7：JE結(jié)正向偏置，而JC反向偏置

JE的正向偏置降低了勢(shì)壘（如上一節(jié)所述），這導(dǎo)致空穴從發(fā)射極向基極擴(kuò)散，電子從基極向發(fā)射極擴(kuò)散。因此，在JE的p和n兩個(gè)區(qū)域中，少數(shù)載流子的濃度出現(xiàn)了宏觀增長(zhǎng)。

讓我們把注意力集中在基極上廣泛存在的空穴上。在這里，我們?cè)贘C附近具有以下電荷配置：如果我們測(cè)量C和B之間的電勢(shì)差，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)如圖7所示的值，這意味著空穴被集電極C“收集”。然而，JC是反向偏置的，這決定了基極空穴的指數(shù)衰減，因此在JC處，這些載流子的濃度在統(tǒng)計(jì)上為零。反過(guò)來(lái)，JC的反向偏壓會(huì)導(dǎo)致JC的p區(qū)電子濃度降低，這將在JC上產(chǎn)生指數(shù)衰減。如前所述，JE p區(qū)中的電子濃度會(huì)增加，然后由于結(jié)中大家都熟知的少數(shù)載流子擴(kuò)散機(jī)制而呈指數(shù)衰減。圖8總結(jié)了這些結(jié)論。

圖8：閉路NPN晶體管中少數(shù)載流子濃度的變化趨勢(shì)