电力电子科学笔记：PNP和NPN晶体管

如果我们尝试将pn结焊接到np结上，我们会得到如图1所示的器件，其中字母E、B和C分别表示发射极、基极和集电极。这是对p、n、p三个区域的命名。

这样我们就创建了一个PNP型晶体管。

图1：PNP型晶体管。每个区域的大小表示

相反，如果我们将np结焊接到pn结上，我们就会得到如图2所示的器件，其中E、B和C在掺杂方面的作用颠倒了。结果就是一个NPN型晶体管。在这两种配置中，器件均由JE和JC结组成。

图2：NPN型晶体管

晶体管也被称为半导体三极管，因为它标志着真空管的终结，就像结型二极管取代了真空二极管一样。另一个常见名称则是BJT，即双极结型晶体管的缩写。双极属性是指半导体中的导电性（由电子和空穴决定）。

在图3中，我们可以看到PNP晶体管的电路符号，其呈现方式主要是为了突出与图1中图表的关系。同样，图4显示了NPN晶体管的符号。

图3：PNP晶体管的电路符号

图4：NPN晶体管的电路符号

开路晶体管

让我们以PNP晶体管为例（结果也可以马上推广到NPN晶体管）。在开路条件下，我们预期会出现与单结类似的行为，即存在接触电势（请参阅之前的教程），这实际上是一个势垒，其目的是阻止空穴从发射极向基极扩散。如果没有这样的势垒，空穴就会无限地向基极扩散，这显然不符合物理情况，因为我们正处于开路条件下。如果V0是JE结处势垒的高度，那么相似的论证让我们可以说，JC结上存在势垒V‘。假设各个区域p，n，p具有相同的杂质浓度，我们有V0=V′。

热平衡的实现将通过单个区域的少数载流子浓度的恒定值来表征：

我们采用了以下惯例：主字母表示载流子（电子、空穴），第一个下标表示其所属区域。例如，符号np告诉我们正在考虑p区域中的电子（因此是少数电荷）。最后，第三个下标0表示系统在温度T0（不一定是室温）下处于热力学平衡状态。

需要注意的是，我们忽略了耗尽层（在之前的教程中讨论过），因为与双结层相比，它的大小可以忽略不计。

在p型区域中，浓度n相同，因为我们假设这些区域是相同的。如果在笛卡尔坐标系中，我们在横坐标上标出构成PNP晶体管的双结的线性尺寸，在纵坐标上标出单一区域中少数载流子的浓度（方程（1）），那么在热力学和开路平衡状态下我们将得到如图5所示的趋势，其中我们假设pn0》np0。

还应该指出的是，少数载流子浓度和开路条件下严格不变的趋势是平均操作的结果，因为这些量围绕着平均值（即测量值）波动。

图5：开路NPN晶体管中少数载流子浓度的趋势

晶体管偏置

由于存在两个结和三个端子，因此极化组合比二极管更多。像前面一样，让我们参考PNP晶体管，直接反向偏置JE和JC。在图6中，显示了这种极化配置，而图7则是相应的电路图。准确地说，我们有一个电压发生器，其电压为VEB，而VCC表示连接到JC的电池产生的电压。VCB用来表示集电极和基极之间的电位差。

图6：JE结正向偏置，而JC结反向偏置

图7：JE结正向偏置，而JC反向偏置

JE的正向偏置降低了势垒（如上一节所述），这导致空穴从发射极向基极扩散，电子从基极向发射极扩散。因此，在JE的p和n两个区域中，少数载流子的浓度出现了宏观增长。

让我们把注意力集中在基极上广泛存在的空穴上。在这里，我们在JC附近具有以下电荷配置：如果我们测量C和B之间的电势差，我们会发现如图7所示的值，这意味着空穴被集电极C“收集”。然而，JC是反向偏置的，这决定了基极空穴的指数衰减，因此在JC处，这些载流子的浓度在统计上为零。反过来，JC的反向偏压会导致JC的p区电子浓度降低，这将在JC上产生指数衰减。如前所述，JE p区中的电子浓度会增加，然后由于结中大家都熟知的少数载流子扩散机制而呈指数衰减。图8总结了这些结论。

图8：闭路NPN晶体管中少数载流子浓度的变化趋势