節(jié)我們知道PN結(jié)半導(dǎo)體具有單相導(dǎo)電的性能，但是由PN結(jié)構(gòu)成的各種二極管(Diode)器件的單相導(dǎo)電性是沒(méi)辦法進(jìn)行主動(dòng)控制的，因此這類(lèi)器件也稱(chēng)為被動(dòng)器件。與其對(duì)應(yīng)的是能夠被主動(dòng)控制通斷的器件，這類(lèi)器件也可以稱(chēng)為主動(dòng)器件。這種主動(dòng)器件一般我們統(tǒng)稱(chēng)為晶體管(Tansistor)，晶體管可以分為以下三類(lèi)：流控器件BJTs，壓控器件FETs，混合結(jié)構(gòu)IGBTs。

圖1 晶體管的分類(lèi)(來(lái)源：TOSHIBA Semiconductor)

本文主要分析BJT(Bipolar Junction Transistors)，也就是我們俗稱(chēng)的“三級(jí)管”器件的基本工作原理和主要參數(shù)。

1、NPN和PNP

我們剛剛接觸三極管器件，肯定會(huì)有人告訴你三極管有兩種：NPN和PNP，那么我們就從這里講起。如下圖1.1所示，左邊為NPN三極管結(jié)構(gòu)，右邊為PNP三極管結(jié)構(gòu)。通過(guò)在NPN三極管基極(Base)加上一個(gè)正電流，就能控制三極管導(dǎo)通形成導(dǎo)通電流Ic;通過(guò)在NPN三極管基極(Base)加上一個(gè)負(fù)電流，就能控制三極管導(dǎo)通形成導(dǎo)通電流-Ic。利用這個(gè)性質(zhì)，作為開(kāi)關(guān)管的三極管，NPN常用在低邊驅(qū)動(dòng)，PNP常用在高邊驅(qū)動(dòng)。感興趣，關(guān)注我，我們后續(xù)再對(duì)三極管的應(yīng)用電路進(jìn)行探討。

從結(jié)構(gòu)圖上看，三極管的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單：N-P-N堆疊和P-N-P堆疊。那么，是不是可以將三極管，看作是兩個(gè)“背靠背”或者“面對(duì)面”的二極管呢?有不少教材或者文章是告訴你可以這樣看!但是我是不推薦的，這樣看是沒(méi)辦法看到三極管背后運(yùn)行的機(jī)理的，反而很容易誤入歧途!

圖1.1 NPN 和 PNP結(jié)構(gòu)

2、BJT的工作機(jī)理

在進(jìn)行三極管工作機(jī)理分析之前，我們先看下圖2.1，從圖中我們可以看出三極管并不是簡(jiǎn)單的“二極管拼接”。其結(jié)構(gòu)和載流子摻雜是經(jīng)過(guò)有意的設(shè)計(jì)的，主要的特點(diǎn)為：發(fā)射極摻雜濃度高，基區(qū)薄，集電極面積大?；谶@樣的結(jié)構(gòu)，一場(chǎng)“當(dāng)空接龍”就這么開(kāi)始了。

Base-Emitter 加上正向電壓，使得發(fā)射結(jié)正偏，耗盡層(發(fā)射結(jié))變薄，發(fā)射區(qū)的載流子(電子)擴(kuò)散能力增強(qiáng)，大量的電子進(jìn)入基區(qū)

基區(qū)的特點(diǎn)是很薄，能提供的空穴數(shù)量非常少，電子進(jìn)入基區(qū)后，很少一部分電子和空穴進(jìn)行復(fù)合，形成復(fù)合電流Ib

大量的電子堆積在基區(qū)，很容易進(jìn)入到集電結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)范圍內(nèi)，一旦電子進(jìn)入集電結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)，電子就會(huì)在電場(chǎng)的作用下漂移到集電結(jié)

到達(dá)集電結(jié)的電子擁有足夠大的空間(低摻雜，大面積)進(jìn)行自由移動(dòng)，很難再回頭穿過(guò)內(nèi)電場(chǎng)擴(kuò)散到基區(qū)，因此絕大部分的發(fā)射極電子穿過(guò)基區(qū)進(jìn)入集電極

稍微總結(jié)下：發(fā)射極電流Ie主要為擴(kuò)散電流，基極電流Ib為復(fù)合電流，集電極電流Ic為漂移電流。并且根據(jù)KCL可以得到Ie=Ib+Ic。

我們?cè)诜治霭雽?dǎo)體器件的過(guò)程中，一定要牢牢把握各部分載流子狀態(tài)是“漂移”還是“擴(kuò)散”。這是我們分析半導(dǎo)體器件特性的基礎(chǔ)。

圖2.1 NPN 結(jié)構(gòu)和載流子分布

3、從放大到飽和

在應(yīng)用電路中，三極管最常見(jiàn)的是作為“開(kāi)關(guān)”進(jìn)行使用，但是我們課本往往都是從如何使用三極管進(jìn)行信號(hào)放大開(kāi)始講起的。這里不贅述課本上關(guān)于放大電路應(yīng)用的分析，僅僅從機(jī)理層面看看三極管的工作狀態(tài)是怎么變化的?

談到三極管的放大作用，那么肯定很熟悉一個(gè)前提：“發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏”。前半句很好理解，發(fā)射結(jié)正偏了，發(fā)射極才能向基區(qū)發(fā)射多數(shù)載流子，這是驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通的激勵(lì)源(Source)。那我們思考一下，如果集電結(jié)“零偏或者正偏”，會(huì)發(fā)生什么情況呢?如圖3.1，將三極管的BE 短路，那么三極管等效于一個(gè)二極管，輸出的電流將受到外部電路條件的影響，基極電壓將失去對(duì)三極管的控制。

圖3.1 三極管集電結(jié)“零偏”

以NPN為例，想象一下，如果我們保持三極管的C極開(kāi)路，那么Ic電流必然等于0。大量的電子堆積在基區(qū)，無(wú)法進(jìn)入集電極，從而無(wú)法形成集電極電流。

我們?cè)倩氐健鞍l(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏”的狀態(tài)，此時(shí)聚集在基區(qū)的電子將在反偏電場(chǎng)的作用下全部漂移到集電極。如果此時(shí)，不斷增加Ib電流，更多的電子往基區(qū)遷移，集電結(jié)的空間電荷區(qū)不斷被壓縮，直到達(dá)到Ic的上限(受外部電路限制)，基區(qū)進(jìn)入“飽和狀態(tài)”。需要注意的是，此時(shí)電流由集電極向基極導(dǎo)通，等效的二極管應(yīng)該是反極性的，這也是我為什么不推薦用二極管模型分析三極管問(wèn)題的原因之一。

由于集電結(jié)和發(fā)射結(jié)摻雜濃度的不同，電流形成的機(jī)理也不一樣，所以PN結(jié)的管壓降也不一樣。如圖3.2所示，SS8050三極管的飽和特性參數(shù)，Vcesat=Vcbsat+Vbesat，可以看出Vce的飽和電壓要比Vbe的飽和電壓低不少，所以Vcb的電壓應(yīng)該為負(fù)!換句話(huà)說(shuō)，集電結(jié)是一個(gè)反向?qū)ǖ亩O管，但是擁有正向的管壓降!

圖3.2 SS8050 三極管規(guī)格

而在功率半導(dǎo)體中，我們常常分析的是器件的“退飽和”過(guò)程，這個(gè)過(guò)程剛好和以上的分析過(guò)程相反。可以參考下面鏈接，看一看IGBT“退飽和”過(guò)程是如何發(fā)生的：IGBT 直通短路過(guò)程問(wèn)題分析

4、通用三級(jí)管的參數(shù)

三極管作為最常用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，應(yīng)用十分廣泛。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中我們需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行精確的分析，確保三極管工作在一個(gè)“舒服”的狀態(tài)下工作。以一個(gè)三極管開(kāi)關(guān)電路作為例子，看看如何考慮三極管參數(shù)對(duì)電路的影響。

4.1電壓參數(shù)

三極管SS8050電壓有三個(gè)參數(shù)：VCBO，VCEO，VEBO，可以看出這里最脆弱的是VEB0，也就是發(fā)射結(jié)的反向電壓。因此如果出現(xiàn)反向電壓的情況下可以使用一些適當(dāng)?shù)你Q位電路進(jìn)行負(fù)壓的鉗位，鉗位二極管可以放置在BE之間鉗位，也可以放置在CE之間進(jìn)行反向鉗位。

對(duì)于開(kāi)關(guān)電路如圖4.1右，VCC應(yīng)該不超過(guò)VCEO的80%，也就是20V。

4.2電流參數(shù)

對(duì)于開(kāi)關(guān)三極管，負(fù)載電流受外部電路條件限制，Ic=(Vcc-Vcesat)/Rc，該電流不應(yīng)該超過(guò)極值電流的一半，也就是1.5/2=0.75A。

如果我們將Ic電流設(shè)置為0.75A，那么此時(shí)需要考慮Ib電流不能太小，Ib=(Vbb-Vbesat)/Rb。要求電路在最小的DC Gain情況下也能夠保證進(jìn)入飽和狀態(tài)，也就是hfe=40，Ib>0.75A/40=18mA。

4.3損耗參數(shù)

考慮到三極管的散熱，Pd=Vcesat*Ic=0.5V*0.75A=0.375W，發(fā)現(xiàn)該功率超出了三極管的散熱能力，同時(shí)根據(jù)熱阻計(jì)算得到溫升為：0.375W*417C/W=156C，嚴(yán)重超出了半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)能力，需要重新進(jìn)行計(jì)算!

現(xiàn)在我們將電流下降10倍，也就是75mA，由計(jì)算可以得到Ib>1.8mA，功率損耗為0.0375W，溫升為0.0375W*417C/W=15.6C，假設(shè)環(huán)境溫度最高為85C，那么三極管的結(jié)溫Tj=85C+15.6C=100.6C，距離規(guī)格書(shū)的150C結(jié)溫限值還有50C的余量，滿(mǎn)足要求。

從以上的計(jì)算中我們也可以看出SS8050 僅擁有信號(hào)電路的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，無(wú)法作為功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行使用!

圖4.1 SS8050 三極管規(guī)格