双极晶体管

什么是双极结型晶体管？

双极晶体管（通常称为双极结型晶体管或BJT）是一种用途广泛的分立半导体 器件。分立半导体种类繁多，从二极管、整流器到BJT，而双极晶体管（BJT）的设计主要目的是作为单个半导体器件执行一项功能，而无需在印刷电路板（PCB）上的集成电路中集成多个半导体元件。

双极结型晶体管 (BJT) 是由三层硅构成的固态三引脚（基极、集电极和发射极）元件。主要有两种类型：PNP（正极-负极-正极）和 NPN（负极-正极-负极）。与所有晶体管一样，BJT 的基本功能通常是用作开关或放大、滤波和整流功率。

双极晶体管是电流控制和操作的器件，这意味着较小的基极电流会导致较大的电流从发射极流向集电极。变压器可以放大电流或电压，而晶体管可以同时放大两者。在最常见的发射极配置中，双极结型晶体管 (BJT) 会自然地放大电流，但当它集成到电路中时，很容易被设计成放大输出电压。因此，双极晶体管经常被用作各种电路、系统和产品类型的信号放大方法。

双极结型晶体管（BJT）是有史以来最早的功能性晶体管器件之一。最早的双极晶体管是战后著名物理学家兼工程师巴丁、布拉顿和肖克利三位开拓性工作的成果。BJT最初于20世纪40年代末诞生于贝尔实验室，并在随后的几十年里迅速成为通用标准。这三位发明家最终因在双极结型晶体管量产方面的贡献而荣获1956年的诺贝尔奖。

双极结型晶体管 (BJT) 可以放大模拟和数字信号，还能切换直流电源或用作振荡器。虽然 BJT 主要用于放大（模拟）电流，但它们也可以在电路中用作电子（数字）开关。

BJT的类型

双极结型晶体管的结构由三层半导体材料构成。根据这些层的排列方式，我们得到两种主要类型的双极晶体管：PNP 型和 NPN 型。

半导体是一种允许一定程度的电子流过的材料。因此，它既不是真正的导体，也不是绝缘体。在制造阶段，通过引入各种杂质（即所谓的掺杂工艺），可以影响特定半导体材料的整体导电性。

通过影响半导体材料中的电子数量，掺杂可以增加或减少其导电性以及层间电流的方向。这取决于添加或去除的杂质类型以及层间的排列方式。

在双极结型晶体管（BJT）中，其半导体层中的一层或两层会进行掺杂，以增加电子数，使其带负电，即 N 型。另一方面，剩余的一两层会掺杂空穴，以引入电子缺陷，使其带正电，即 P 型。

根据双极结型晶体管 (BJT) 半导体夹层中掺杂层的类型和排列，可以翻转流过 BJT 的电流方向。这导致了两种基本类型的双极晶体管结构。PNP 晶体管的两层 P 型材料之间夹有一层 N 型半导体，NPN 晶体管则相反：

• 首字母缩略词 PNP（正-负-正）和 NPN（负-正-负）表示 BJT 中夹层半导体层的顺序

• 电流将流向一个方向或另一个方向，具体取决于硅层的排列

• NPN晶体管有一块P型硅片（基极），夹在两块N型硅片（集电极和发射极）之间。这是最常见的基极结构

• PNP晶体管反转这个顺序

• 最常用的晶体管配置是 NPN 晶体管

NPN双极晶体管

NPN晶体管是最常用的晶体管类型，其制造方式是电子从发射极端子流向集电极极端子。这会导致电流反向流动（即从集电极流向发射极端子），然后流向电路的其余部分。这基本上是晶体管的标准配置。实际上，这意味着当电流流过NPN BJT的基极端子时，NPN BJT就会导通。

PNP双极晶体管

PNP BJT 的功能与 NPN 双极晶体管相同，只是整个过程反向进行。因此，电流从发射极引脚流向集电极引脚，而不是相反，而集电极没有电子（空穴）。

虽然公共基极仍然控制着总电流，但 PNP 双极晶体管由低信号（地）导通，而 NPN 晶体管则由高信号（电流）导通。这使得 PNP 晶体管能够在驱动扬声器等应用中放大交流信号。它可以通过空气流动将扬声器音盆从中间位置向内拉，从而产生比直流电流（仅将音盆向外推）更大的声音。

BJT特性

双极晶体管具有多种特性，使其非常高效。BJT 特性包括：

它们可以采用低输入电流并用它来输出更大的电流

机械开关总是需要执行器进行物理移动才能运行，而晶体管开关的二进制开/关状态则由基本配置的电压控制

与机械开关不同，它们可以通过 PWM（脉冲宽度调制）信号控制

与机械开关不同，晶体管开关不会受到任何物理反弹的影响

双极晶体管开关特性

控制电流从电子电路的一部分流向另一部分是晶体管的关键功能之一。在这种情况下，晶体管实际上充当的是电子开关，而不是放大器。当进入饱和或截止模式时，双极结型晶体管 (BJT) 本质上复制了普通电路开关的二进制开/关功能。因此，它可以用来创建逻辑门。

该图显示了电子在简单电路中的流动。

（a）机械开关

（b）NPN晶体管开关

（c）PNP晶体管开关

双极结型晶体管理论

双极结型晶体管之所以被称为双极结型晶体管，是因为它们采用两种不同的硅 半导体来 结合正电荷和负电荷（因此具有双极特性）。这两种不同的硅载流子以不同的结构物理地夹在一起，形成一种结。

双极结型晶体管 (BJT) 包含三个端子或引脚，分别称为基极、集电极和发射极。BJT 中集电极的简单定义是，它是晶体管中输出放大电流的部分。与任何晶体管一样，BJT 的核心工作原理是，基极区和集电极区之间流动的少量电流会导致集电极区和发射极区之间流动的较大电流。

从这个角度来看，晶体管本质上是一种放大器——因此，它们最常见的应用之一就是推动现代音频技术的发展，这或许并不令人意外。由于双极型器件可以处理大电流，因此在电子音频I/O设备以及其他高要求技术（例如无线发射器）中用作高功率放大器时，它们尤其有效。

与所有晶体管一样，BJT 既可以线性工作，也可以非线性工作，具体取决于基极-发射极结电流的范围。超出特定型号的额定电流范围时，基极-发射极电流和集电极-发射极电流之间的线性关系（也称为电流增益）将不再是线性的。换句话说，BJT 可以被驱动到截止（关断）和饱和（导通）模式，以及其标准的有源（放大）模式。

主动模式

在这种模式下，晶体管可以充当从基极引脚流向集电极的电流的放大器，并按比例增加从集电极引脚流向发射极的电流。

这是晶体管能够运行的最通用、最强大的模式之一，可以说是晶体管在电路中最常见的应用。

开启或饱和模式

在这种模式下，晶体管实际上充当了共集电极和共发射极之间的短路。由于晶体管工作在闭合或完整的电路状态，因此两者之间的电流基本上不受限制。

关闭或截止模式

此模式与饱和相反。晶体管本质上类似于断路或开路；集电极电流无法通过，因此没有发射极电流输出。

当驱动至截止或饱和模式时，BJT 的功能实际上更像是一个二进制（开/关）电路开关。除了放大之外，这也是晶体管最强大、用途最广泛的用途之一。