雙極結型電晶體 (BJT) - 理論

雙極結型電晶體 (BJT) 是一種三端器件，由兩個 PN 結 構成，這些 PN 結透過將 P 型或 N 型半導體材料夾在成對的相反型別半導體之間形成。

BJT 的主要功能是增強弱訊號的強度，即它充當放大器。BJT 也可以用作電子電路中的固態開關。

BJT 的型別

BJT 有兩種型別：

• NPN 電晶體
• PNP 電晶體

在本文中，我們將詳細討論這兩種 BJT 的工作原理。

NPN 電晶體

NPN 電晶體由兩個 N 型 半導體 材料組成，它們被一層薄的 P 型半導體隔開。兩個端子，即發射極和集電極，是從兩個 N 型半導體中引出的，基極端子則來自 P 型半導體。

在 BJT 符號中，發射極端子上的箭頭指示發射極正向偏置時傳統電流的方向。對於 NPN 電晶體，傳統電流從發射極流出，如箭頭所示。

PNP 電晶體

PNP 電晶體由兩個 P 型半導體組成，它們被一層薄的 N 型材料隔開。兩個端子，即發射極和集電極，是從兩個 P 型半導體層中引出的，基極端子則來自 N 型半導體。對於 PNP 電晶體，傳統電流流入發射極，如箭頭所示。

關於 BJT 的重要事實

• 有兩個 PN 結，因此電晶體可以看作是兩個背靠背連線的二極體的組合。

• 集電極區域比發射極和基極都寬。基極比發射極和集電極都薄得多。在電晶體工作期間，集電極會產生大量熱量，因此集電極做得更大以散發熱量。

• 電晶體具有三個摻雜半導體區域。一個區域稱為發射極，另一個稱為集電極，中間區域稱為基極，並在發射極和集電極之間形成兩個 PN 結。

• 通常，BJT 的發射極-基極結是正向偏置的，而集電極-基極結是反向偏置的。

• 與反向偏置結相比，正向偏置結的電阻非常小。

• 發射極是重摻雜的，以便它可以向基極提供大量載流子（電子或空穴）。基極是輕摻雜的且非常薄，因此它將發射極注入的大部分載流子傳遞到集電極。集電極區域的摻雜濃度適中。

BJT 的工作原理

BJT 的發射極-基極結是正向偏置的，而集電極-基極結是反向偏置的。發射極-基極結的正向偏置導致發射極電流流動，並且該發射極電流完全流入集電極電路。因此，集電極電流取決於發射極電流，並且幾乎等於發射極電流。

NPN 電晶體的工作原理

對於正向偏置的發射極-基極結和反向偏置的集電極-基極結，可以看出正向偏置導致電子從 N 型發射極流向 P 型基極。這構成了發射極電流（）。當這些電子流過 P 型基極時，它們會與空穴結合。

由於基極是輕摻雜的且非常薄，因此只有少量電子（少於 5%）與空穴結合形成基極電流（）。其餘的（超過 95%）電子穿過基極區域到達集電極區域，形成集電極電流（）。這樣，整個發射極電流都流入集電極電路。

發射極電流是基極電流和集電極電流的總和。

$$\mathrm{{I_{E}}={I_{B}}+{I_{C}}}$$

PNP 電晶體的工作原理

對於 PNP 電晶體，發射極-基極結的正向偏置導致空穴從 P 型發射極區域流向 N 型基極，並構成發射極電流（${I_{E}}$）。當這些空穴穿過 N 型基極區域時，它們會與電子結合。由於基極是輕摻雜的且非常薄，因此只有少量空穴（少於 5%）與電子結合。其餘的（超過 95%）穿過基極併到達集電極區域，形成集電極電流（${I_{C}}$）。

這樣，整個發射極電流都流入集電極電路。需要注意的是，PNP 電晶體內部的電流傳導是由於空穴的運動。但是，在外部連線線中，電流仍然是由於電子的流動。

同樣，發射極電流是集電極電流和基極電流的總和。

$$\mathrm{{I_{E}}={I_{B}}+{I_{C}}}$$

BJT 偏置

BJT 有兩個 PN 結，即發射極-基極結和集電極-基極結。在 BJT 的兩個結上施加適當的直流電壓稱為 BJT 或電晶體偏置。

當電晶體用作放大器時，發射極-基極結是正向偏置的，而集電極-基極結是反向偏置的。如果電晶體在這種偏置條件下工作，則稱其工作在**放大區**。

當兩個結都正向偏置時，則稱電晶體工作在**飽和區**。工作在飽和區的電晶體就像一個閉合開關，集電極電流達到最大值。

當兩個結都反向偏置時，則稱電晶體工作在**截止區**。工作在截止區的 BJT 就像一個斷開的開關，從發射極到集電極流過非常小的集電極電流（以**µA**為單位）。這種電流稱為反向洩漏電流，是由少數載流子（P 區中的電子和 N 區中的空穴）引起的。

Manish Kumar Saini

更新於： 2023 年 11 月 2 日

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