电力电子学 - BJT

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双极结型晶体管（BJT）是一种晶体管，其工作原理依赖于两个半导体的接触。它可以充当开关、放大器或振荡器。它被称为双极晶体管，因为它需要两种类型的载流子（空穴和电子）才能工作。空穴是P型半导体中的主要载流子，而电子是N型半导体中的主要载流子。

BJT 的符号

BJT 的结构

BJT 具有两个背靠背连接并共享一个公共区域 B（基极）的 PN 结。这确保了基极、集电极和发射极的所有区域都建立了接触。下图显示了 PNP 型双极晶体管的结构。

上面所示的 BJT 由两个背靠背连接的二极管组成，导致称为准中性的区域耗尽。发射极、基极和集电极的准中性宽度分别在上面表示为 W_E’、W_B’ 和 W_C’。它们分别计算如下：

$$W_{E}^{'}=W_{E}-X_{n,BE}$$ $$W_{B}^{'}=W_{B}-X_{p,BE}-X_{p,BC}$$ $$W_{C}^{'}=W_{C}-X_{n,BC}$$

发射极、基极和集电极电流的常规符号分别用 I_E、I_B 和 I_C 表示。因此，当正电流遇到集电极或基极触点时，集电极电流和基极电流为正。此外，当电流离开发射极触点时，发射极电流为正。因此，

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

当相对于集电极和发射极在基极触点施加正电压时，基极-集电极电压以及基极-发射极电压都变为正。

为简单起见，假设 V_CE 为零。

电子从发射极扩散到基极，而空穴从基极扩散到发射极。一旦电子到达基极-集电极耗尽区，就会被电场扫过该区域。这些电子形成了集电极电流。

当 BJT 偏置在正向激活模式时，总发射极电流通过将电子扩散电流（I_E,n）、空穴扩散电流（I_{E, p}）和基极发射极电流相加得到。

$$I_{E}=I_{E,n}+I_{E,p}+I_{r,d}$$

总集电极电流由电子扩散电流（I_E,n）减去基极复合电流（I_r,B）给出。

$$I_{C}=I_{E,n}-I_{r,B}$$

基极电流 I_B 的总和通过将空穴扩散电流（I_{E, p}）、基极复合电流（I_r,B）和耗尽层的基极-发射极复合电流（I_r,d）相加得到。

$$I_{B}=I_{E,p}+I_{r,B}+I_{r,d}$$

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传输因子

它由集电极电流与发射极电流之比给出。

$$\alpha =\frac{I_{C}}{I_{E}}$$

应用基尔霍夫电流定律，发现基极电流由发射极电流和集电极电流之差给出。

电流增益

它由集电极电流与基极电流之比给出。

$$\beta =\frac{I_{C}}{I_{B}}=\frac{\alpha }{1-\alpha }$$

以上解释了 BJT 如何产生电流放大。如果集电极电流几乎等于发射极电流，则传输因子 (α) 将接近 1。因此，电流增益 (β) 将大于 1。

为了进一步分析，将传输因子 (α) 重写为发射极效率 (γ_E)、基极传输因子 (α_T) 和耗尽层复合因子 (δ_r) 的乘积。它被重写如下：

$$\alpha =\gamma _{E}\times \alpha _{T}\times \delta _{r}$$

以下是讨论的发射极效率、基极传输因子和耗尽层复合因子的总结。

发射极效率

$$\gamma _{E}=\frac{I_{E,n}}{I_{E,p}+I_{E,P}}$$

基极传输因子

$$\alpha _{T}=\frac{I_{E,n}-I_{r,b}}{I_{E,n}}$$

耗尽层复合因子

$$\delta _{r}=\frac{I_{E}-I_{r,d}}{I_{E,n}}$$