双极晶体管的工作原理

BJT的基本工作原理体现为发射结（J1）和集电结（J2）的相互作用。当BJT的基极悬空或者与发射结短路，集射极间的电压正偏置，即UCE>0时，集电结（J2）处于反偏置状态，承担了外部的偏置电压，发射结不提供电子，整个BJT不导通，处于正向阻断状态。

此时在BJT基极与发射极间施加正向电压，即UBE>0。发射结正偏置带来的少子注入效应，使发射区的电子经过发射结进人基区。随着电子深入基区，许多电子跟基区中的空穴复合，因复合而失去的空穴由基极触点补充。如果基区的宽度比电子的扩散长度小很多，相当一部分的电子会抵达集电结（J2），在那里它们被电场俘获，运送到集电区。这样一来，电流开始在电路中流动，导通状态下的BJT的能带图如图1所示。

图1  导通状态BJT的能带图

这些通过集电结的电子，降低了集电结的压降，也在集电区产生电导调制效应，降低集电区的压降。当基射极之间的电压足够大时，BJT工作在饱和导通状态，进入饱和导通状态后的BJT集射极电压非常低，集电极电流仅取决于外电路阻抗，不再受基极控制。BJT工作在饱和状态，这是双极型电力晶体管与作为信号处理的晶体三极管运行时的最大差别。

从PN结分析知道，基射极电压UBE决定了发射结的注入水平，即调节了集电区的电流。当撤掉基极驱动，即撤掉基射极之间的电压时，BJT电流会迅速下降，因为不再有电子注入到基极，剩下的过量电子既无法与空穴复合也不能流到集电极，同时集电结回到承受外置反偏电压状态，BJT关断。

图2  导通状态下PN结附件的载流子分布

以上就是通过基射极电压UBE（也可以说是基极电流）来控制BJT导通和关断的基本工作原理。可以通过一些计算来分析两个PN结的作用。导通状态下两个PN结附近的载流子分布如图2所示。对应的BJT中的电子和空穴流分布示意图如图3所示。

图3  导通时BJT中的载流子分布

图中，电子流的方向与电流方向相反，而空穴流的方向与电流方向相同。IB、IC和IE分别是BJT的基极、集电极和发射极电流。IpE和InE为通过发射结的空穴和电子电流，InC是InE中通过集电结的那部分电子电流，I0C是偏置条件下的集电结的漏电流，比其他电流小很多，可以忽略。

对于流过发射结的电流有两部分组成，且发射结的注入效率为γ，则

在基区存在电子空穴的少子的复合，则电流InE中的能够最后通过集电结进入集电极的电流为InC，看成电子穿过基极“运输”到集电极，故定义输运系数B为

显然，该系数也小于1，根据B和γ，可以定义该BJT的电流放大系数α为

此时，考虑到

则有

系数α本质上表明了一个BJT内两个PN结相互作用、相互影响的效果。一般来说，α并不是固定不变的常数，会受到很多因素的影响，如BJT中流经电流、器件结温等。通过上式可以看出，没有基极电流的BJT是不会导通的，除非反偏的集电结发生击穿。这是三层两结晶体管的基本特征。一个典型的BJT的电流放大系统随集电极电流和结温的变化曲线如图4所示。

图4  电流放大系数随集电极电流和结温的变化曲线

以上就是双极晶体管的基本工作原理。