双极结型晶体管的结构及配置原理

简单的二极管由两片半导体材料组成，形成一个简单的PN结，如果将两个单独的信号二极管背靠背连接在一起，这样会提供两个串联在一起的PN结，它们将共享一个公共的正极(P)或负极(N)端子。这两个二极管的融合产生了一个三层、两个结、三端器件，形成了双极结型晶体管，简称BJT。

众所周知，晶体管是由不同半导体材料制成的三端有源器件，通过施加小信号电压可以充当绝缘体或导体。晶体管在这两种状态之间转换的能力使其具有两种基本功能：“开关”(数字电子)或“放大”(模拟电子)。然后双极晶体管有能力在三个不同的区域内工作：

有源区——晶体管作为放大器运行，Ic=β*Ib

饱和度区——晶体管“完全导通”，作为开关运行，Ic=I(饱和度)

截止区——晶体管“完全关闭”，作为开关运行，Ic=0

Transistor这个词是Transfer Varistor这两个词的组合，它描述了它们在电子开发早期的工作模式。双极晶体管结构有两种基本类型，PNP和NPN，它们基本上描述了制造它们的P型和N型半导体材料的物理排列。

双极结型晶体管的结构

双极结型晶体管的基本结构由两个PN结组成，产生三个连接端子，每个端子都有一个名称，以区别于其他两个端子。这三个端子是已知的，并分别标记为发射器( E )、基极( B ) 和收集器( C )。

双极结型晶体管是电流调节器件，可控制从发射极流向集电极端子的电流量，与施加到其基极端子的偏置电压量成比例，因此其作用类似于电流控制开关。由于流入基极端子的小电流控制形成晶体管动作基础的更大集电极电流。

这两种晶体管类型PNP和NPN的工作原理完全相同，唯一的区别在于它们的偏置和每种类型的电源极性。

下图给出了PNP和NPN双极晶体管的结构和电路符号，电路符号中的箭头始终表示基极端子和发射极端子之间“常规电流”的方向。对于两种晶体管类型，箭头的方向始终从正P型区域指向负N型区域，与标准二极管符号完全相同。

双极结型晶体管配置原理

由于双极结型晶体管是一种三端子器件，因此基本上有三种可能的方式将其连接到电子电路中，其中一个端子对输入和输出信号都是公共的。由于晶体管的静态特性随每个电路布置而变化，因此每种连接方法对电路内的输入信号的响应不同。

公共基础配置——有电压增益但没有电流增益。

通用发射极配置——同时具有电流和电压增益。

公共集电极配置——有电流增益但没有电压增益。

1、公共基础 (CB) 配置

顾名思义，在通用底座或接地底座配置中，输入信号和输出信号都使用BASE连接。输入信号施加在晶体管基极和发射极端子之间，而相应的输出信号来自基极和集电极端子之间，如下图所示。基极接地或可以连接到某个固定的参考电压点。

流入发射极的输入电流相当大，因为它分别是基极电流和集电极电流的总和，因此，集电极电流输出小于发射极电流输入，导致此类电路的电流增益为“1” (单位)或更少，换句话说，公共基本配置“衰减”输入信号。

这种类型的放大器配置是非反相电压放大器电路，因为信号电压Vin和Vout是“同相”的。由于其异常高的电压增益特性，这种类型的晶体管布置不是很常见。它的输入特性代表正向偏置二极管的特性，而输出特性代表发光光电二极管的特性。

此外，这种类型的双极晶体管配置具有很高的输出与输入电阻比，或更重要的是“负载”电阻 ( RL ) 与“输入”电阻 ( Rin ) 的比值，使其具有“电阻增益”值。因此，通用基本配置的电压增益 ( Av ) 为：

其中：Ic/Ie是电流增益，alpha ( α ) 和RL/Rin是电阻增益。

共基极电路由于其非常好的高频响应，一般仅用于单级放大器电路，例如麦克风前置放大器或射频 ( Rƒ) 放大器。

2、共发射极 (CE) 配置

在共发射极或接地发射极配置中，输入信号施加在基极和发射极之间，而输出来自集电极和发射极之间，如下图所示。这种类型的配置是基于晶体管的放大器最常用的电路，它代表了双极晶体管连接的“正常”方法。

共射极放大器配置在所有三种双极晶体管配置中产生最高的电流和功率增益。这主要是因为输入阻抗低，因为它连接到正向偏置 PN 结，而输出阻抗高，因为它来自反向偏置 PN 结。

在这种类型的配置中，流出晶体管的电流必须等于流入晶体管的电流，因为发射极电流为Ie=Ic + Ib。

由于负载电阻 ( R L) 与集电极串联，因此共发射极晶体管配置的电流增益非常大，因为它是Ic/Ib的比率。晶体管电流增益的希腊符号为Beta，( β )。

共发射极配置的发射极电流定义为Ie=Ic+Ib ，因此Ic/Ie的比率称为Alpha，希腊符号为α。注意：Alpha的值总是小于单位。

这三个电流Ib、Ic和Ie之间的电气关系是由晶体管本身的物理结构决定的，因此基极电流 ( Ib ) 的任何微小变化都会导致集电极电流 ( Ic )发生更大的变化。

此外，流入基极的电流的微小变化将因此控制发射极-集电极电路中的电流。通常，对于大多数通用晶体管， Beta的值在20到200之间。因此，如果晶体管的Beta值为100，则发射极—集电极之间每流过100 个电子，就会有一个电子从基极流出。

通过结合Alpha、α和Beta、β的表达式，这些参数之间的数学关系以及晶体管的电流增益关系如下：

其中：“ Ic ”为流入集电极端子的电流，“ Ib ”为流入基极端子的电流，“ Ie ”为流出发射极端子的电流。

稍微总结一下，这种类型的双极晶体管配置具有比共基极配置更大的输入阻抗、电流和功率增益，但其电压增益要低得多。共发射极配置是一个反相放大器电路。这意味着产生的输出信号相对于输入电压信号具有180°的相移。

3、通用收集器 (CC) 配置

在公共集电极或接地集电极配置中，集电极通过电源连接到地，因此集电极端子对输入和输出都是公共的。输入信号直接连接到基极端子，而输出信号取自发射极负载电阻，如下图所示。这种类型的配置通常称为电压跟随器或发射极跟随器电路。

公共集电极或射极跟随器配置对于阻抗匹配应用非常有用，因为它具有非常高的输入阻抗，在数十万欧姆的范围内，同时具有相对较低的输出阻抗。

共发射极配置的电流增益大约等于晶体管本身的β值。然而，在共集电极配置中，负载电阻与发射极端子串联，因此其电流等于发射极电流。

由于发射极电流是集电极和基极电流的组合，因此这种晶体管配置中的负载电阻也同时具有集电极电流和基极的输入电流流过它。那么电路的电流增益为：

这种类型的双极晶体管配置是非反相电路，因为Vin和Vout的信号电压是“同相”的。公共集电极配置的电压增益约为“1”(单位增益)。因此它可以被认为是一个电压缓冲器，因为电压增益是统一的。

公共集电极晶体管的负载电阻同时接收基极和集电极电流，从而提供大的电流增益(与共发射极配置一样)，从而以非常小的电压增益提供良好的电流放大。

在查看了三种不同类型的双极晶体管配置之后，现在可以总结流经每条腿的晶体管的各个直流电流与其上面给出的直流电流增益之间的各种关系，如下表所示。

请注意，尽管在这里查看了NPN双极晶体管配置，但PNP晶体管在每种配置中都同样有效，因为计算都是相同的，就像放大信号的非反相一样。唯一的区别在于电压极性和电流方向。

总结

上述每种电路配置中双极晶体管的行为都非常不同，并且在输入阻抗，输出阻抗和增益方面产生不同的电路特性，无论是电压增益，电流增益还是功率增益。

下表给出了晶体管不同配置的一般特性：

以上就是关于双极结型晶体管(BJT)工作原理和主要特性的相关知识介绍，由于双极结型晶体管是一种半导体器件，可用于开关或放大，所以在日常生活中应用也非常广泛，感兴趣的朋友可以查阅相关资料进行详细了解。