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电力电子科学笔记:PNP和NPN晶体管

2023-11-27 16:47:05 Marcello Colozzo 阅读:
在前面教程所学知识的基础上,我们现在开始学习晶体管这一重要的电子元件。

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。lsOednc

这样我们就创建了一个PNP型晶体管。lsOednc

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图1:PNP型晶体管。每个区域的大小表示lsOednc

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。lsOednc

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图2:NPN型晶体管lsOednc

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)。lsOednc

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。lsOednc

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图3:PNP晶体管的电路符号lsOednc

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图4:NPN晶体管的电路符号lsOednc

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′。lsOednc

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:lsOednc

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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。lsOednc

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。lsOednc

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。lsOednc

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。lsOednc

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图5:开路NPN晶体管中少数载流子浓度的趋势lsOednc

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。lsOednc

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图6:JE结正向偏置,而JC结反向偏置lsOednc

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图7:JE结正向偏置,而JC反向偏置lsOednc

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。lsOednc

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。lsOednc

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图8:闭路NPN晶体管中少数载流子浓度的变化趋势lsOednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Scientific Notes on Power Electronics: PNP and NPN Transistors,由Ricardo Xie编译。)lsOednc

责编:Ricardo
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