双极晶体管的原理/特点及应用

“晶体管”现在可以分为多种类型，每种类型具有不同的功能和结构，例如FET、MOS FET、CMOS等也是广义上的晶体管。当然，它仍然是有源的，主要用于电压/信号放大和开关控制。在本文中，工程师将解释这种双极晶体管是什么，以及它的原理、机制和特点。

一、什么是双极晶体管？

晶体管是一种半导体元件，可以放大很小的电压或信号，或在电子电路中进行开关以控制信号的开/关。传统上，放大是使用真空管进行的，但它的特点是物理尺寸大，功耗高。

然而，随着 1947 年美国贝尔实验室晶体管的发展，电子设备将发生巨大的变化。第一个晶体管被称为点接触晶体管，但次年发明了结型晶体管——电流双极型晶体管，极大地促进了设备的小型化、高精度、高效率、低功耗。

自从1968 年引入CMOS 技术后，后来被归类为单极晶体管，这种易于集成的晶体管逐渐成为主流，但正如最初介绍的那样，双极晶体管也有，用途还不少。这种双极晶体管与单极晶体管的区别在于，空穴和自由电子都参与了半导体中前者的操作。

在后者中，操作涉及空穴或自由电子。换句话说，它被称为双极，因为它在其操作中同时涉及正负载流子。此外，双极晶体管是电流驱动的，而单极晶体管是电压驱动的。

二、双极晶体管的原理

半导体可分为p型和n型，简单地说，p型半导体有空穴，它缺乏电子。相反，n型半导体有过剩的自由电子。二极管和晶体管结合使用p型和n型半导体，但双极型晶体管采取pnp或npn等示意图。这被称为PNP 半导体或 NPN 半导体。而端子从每一个出来，一个叫做发射极，另一个是集电极，中间夹着半导体的中间端子叫做基极。

发射极发射自由电子，旨在安装在集电极侧的空穴中。无论是 PNP 还是 NPN，仅通过从发射极或集电极施加电压就不会产生电流。这是因为在PNP晶体管的情况下，当从发射极侧施加正电压时，在P型半导体和N型半导体之间形成耗尽层。

但是，通过对基极施加正电压，从基极侧供给自由电子，空穴向集电极侧移动而不会被N型半导体捕获，结果电流可以流动。在NPN晶体管的情况下，当从集电极侧施加+电压时，发射极侧n型半导体的自由电子和p型半导体的空穴结合，耗尽层也形成。

然而，当从基极施加正电压时，自由电子流向基极侧，剩余的自由电子流向集电极侧，因为p型半导体的空穴不适合。这是因为中间的半导体是极薄的薄膜，并且电流流动。由于这种机制，向基极施加电压有时称为“偏置”。所以，NPN晶体管是主流市场的原因也是这个。

此时，从基极流出的自由电子为电流创造了一条通路，因此有时也称为“基极电流”，但基极电流即使是非常微弱的信号也能起到上述作用。此外，它不仅承载电流。由于发射极侧和集电极侧的载流子一起发射，因此信号被放大。

这就是晶体管的主要原理和机理，基极和发射极为PN结，结构与二极管相同。因此，为了使基极电流从基极偏置并允许基极电流流动，需要将基极电压保持在比发射极电压高 0.6 至 0.7V。这里产生的电位差称为结饱和电压，是开/关切换操作的原理。

三、双极晶体管的特点及应用

要了解双极型晶体管的特性，将其与 MOS FET 和 CMOS 等单极型晶体管进行比较更容易。首先，很容易获得增益（增益，即输入/输出电压的比值）。

如上所述，晶体管是放大电流和信号的元件，但它表明在需要高放大系数的电路中使用双极晶体管更有效。然而，虽然可以放大微小信号，但电流至少足以操作晶体管是必不可少的。与单极晶体管一样，即使集电极电压发生变化，集电极电流也具有保持恒定的特性，这称为恒流特性。

双极晶体管在高频操作方面也很出色。如今，数字电路正变得越来越主流，但许多电路都在高频下工作。在这种情况下，可能会出现电磁噪声，但双极晶体管具有高噪声特性并且对此类电路有效。另一方面，因为它是电流驱动的，它比电压驱动的单极晶体管消耗更多的功率。此外，可以说单极晶体管在开关速度和尺寸减小方面更胜一筹。例如，放大器、石英钟和RTC（实时时钟）等振荡电路、温度传感器、静电放电处理等。