双极结型晶体管(BJT)和场效应管(FET)是两种基本类型的晶体管。本章将介绍第一种类型——双极结型晶体管。本章首先讨论直流工作原理以及偏置电路，然后将会介绍各种偏置电路如何工作以及基本类型的分立放大器如何在线性和开关应用中进行工作，也将学习如何阅读厂商的数据手册。
双极结型晶体管(BJT)的基本结构决定了它的工作特性。本节将介绍半导体材料如何形成BJT，以及标准晶体管符号，也将讲述通过对基本晶体管电路应用负载线来设置合适的直流电流和电压。
学完本节后，你应该掌握以下内容:
- 描述BT的基本构造和工作原理
- 区分 npn 和 pnp晶体管
- 定义 BJT 电流以及解释它们之间的关系
- 解释 BJT 的特性曲线
- 解释如何构造晶体管电路的直流负载线
- 定义截止和饱和
BJT包括 三个掺杂 半导体区域: 发射区、基区和集电区。(这三个区域被两个 pn 结分隔开。图3-1所示为两种不同类型的双极型晶体管。第一种类型由被一个薄的 $p$ 区分隔开的两个 $n$ 区组成( $npn$ )，第二种类型由被一个薄的 $n$ 区分隔开的两个 $p$ 区组成( $pnp$ )。这两种类型都广泛使用，但是，因为 $npn$ 型更加普遍，所以接下来将多以这种类型为例进行讨论。
$$
a)基本的外延平面结构
$$
$$
b)npn
$$
$$
c)pnp
$$
$$
图3-1双极结型晶体管结构
$$
连接基区和发射区的pn结称为发射结，连接基区和集电区的pn结称为集电结，如图3-1b所示。这些 $pn$ 结类似于第 ⒉章讨论的二极管结，因此也经常称为发射结二极管和集电结二极管。从每个区都引出一个电极，分别将从发射区、基区和集电区引出的电极标为E、B和C。尽管发射区和集电区由同种类型的材料制成，但它们的掺杂浓度和其他特性不尽相同。
图3-2给出了 npn 和 pnp 两种 BJT 的电路符号(可以看到npn晶体管上的箭头并不指向里)。术语 双极 指在晶体管结构中空穴和电子都是载流子。
$$
图3-2BJT的标准符号
$$
3.1.1晶体管工作原理
$$
图3-3BJT的正向-反向偏置
$$
为了使晶体管正常工作，两个 pn 结必须由外部提供直流偏压来设置合适的工作状态。图3-3给出了 npn 型和 pnp 型两种晶体管的合适偏置。在两种情况下，发射结(BE)为正向偏置而集电结(BC)为反向偏置，这称为正向-反向偏置。通常 npn 型和 pnp 型晶体管都使用正向-反向偏置，但偏置电压的极性和电流方向在两种类型中是相反的。
$$
图3-4~~BJT工作原理，其中给出了电子流
$$
为了说明晶体管如何工作，首先来了解一下当晶体管为正向-反向偏置时，在 npn 晶体管内部发生了什么( pnp 晶体管具有相同的情况，只要将极性进行反置)。基极到发射极的正向偏置使 BE 耗尽区变窄，而基极到集电极的反向偏置使 BC 耗尽区变宽，如图3-4所示。重掺杂的 n 型发射区充满了自由电子,这些电子能够很容易地越过正向偏置的BE结而扩散进入 p 型基区,就像正向偏置二极管中的情况一样。
基区掺杂浓度较低，并且非常窄，以至于其中的空穴数量非常有限。因此通过 BE 结流过来的自由电子只有很少一部分会与基区中的空穴复合。这些数量相对较少的被复合的电子作为价电子流出基极，形成一个非常小的基极电流，如图3-4所示。
从发射区流入基区的大多数电子没有被复合，而是继续扩散到 BC 耗尽区。一旦进入该区域，它们就会在该区域中正离子和负离子形成的电场作用下越过反向偏置的 BC 结。实际上，也可以认为这些电子在集电极电源电压的吸引下越过反偏的 BC 结。此时电子越过集电区、流过集电极、进入外部直流电源的正端，因此形成了集电极电流，如图3-4所示。集电极电流的大小取决于基极电流的大小，而与集电极直流电压无关。
重点是: 一个小的基极电流可以控制一个大的集电极电流。因为控制元素是基极电流，并且它能够控制一个较大的集电极电流，所以 BJT 本质上是一个电流放大器。利用小控制元素来控制大电流的概念类似于1.1节中所提到的 deForest 控制栅。
3.1.2晶体管电流
基尔霍夫电流定律(KCL)指出进入结的总电流必须等于流出该结的总电流。将该定律应用到 npn 和 pnp 晶体管可以看到发射极电流($I_E$)是集电极电流($I_C$)和基极电流($I_B$)之和，如下所示: $$ I_E= I_C+I_B~~~~~~~~(3-1) $$ 与 $I_E$ 或 $I_C$ 相比，基极电流 $I_B$ 非常小，因此可以近似得到$I_E \approx I_C$，在分析晶体管电路时，这是一个非常有用的假设。图3-5a和 b分别给出了 npn 和 pnp 小信号晶体管的例子，其中电表上给出了表示的电流。可以看到在 npn 和 pnp晶体管中，安培表和电源电压的极性相反。大写字母下标表示直流值。
3.1.3 直流$\beta(\beta_{DC})$
当晶体管在一定的限制条件下工作时，集电极电流与基极电流成比例。晶体管的电流增益直流 $\beta$ 为直流集电极电流与直流基极电流之比。
$$
图3-5小信号晶体管中的电流
$$
$$
\beta_{DC} = \frac{I_C}{I_B}~~~~(3-2)
$$
直流 $\beta(\beta_{DC})$ 是称为电流增益的比例常数，在晶体管数据手册中通常表示为$h_{FE}$。只要晶体管工作在线性区域，它就有效。在这种情况下，集电极电流等于 $\beta_{DC}$ 乘以基极电流。在图3-5的例子中，$\beta_{DC}$=100。
$\beta_{DC}$ 的值变化范围很大，取决于晶体管的类型。一般来讲，其数值可以从20(功率管)到200(小信号管)。甚至两个相同类型的晶体管的电流增益也会有很大的差别。尽管对于晶体管用作放大器来讲，其电流增益是必需的，但是好的设计方案并不依赖于特定的 $\beta_{DC}$ 值来进行工作。
3.1.4晶体管电压
图3-6中给出的晶体管的三个直流偏置电压为发射极电压($V_E$)、集电极电压($V_C$)和基极电压($V_B$)。这些单下标电压表示以地为参考点的电压。集电极电源电压 $V_{CC}$ 用两个重复的下标字母表示。因为发射极接地，所以集电极电压等于直流电源电压 $V_{CC}$ 减去 $R_C$ 两端的电压。 $$ V_C = V_{CC}-I_CR_C $$ 基尔霍夫电压定律(KVL)指出一个闭环回路的电压之和为0。上面的式子就是该定律的一个应用。
如前所述，当晶体管处于一般工作状态时，发射结二极管为正向偏置。正向偏置的发射结二极管压降 $V_{BE}$ 近似等于0.7V。这意味着基极电压比发射极电压大一个二极管压降，表示为:
$$
V_B = V_E+V_{BE}=V_E+0.7V
$$
在图3-6所示的电路中，发射极是参考端，因此$V_E$=0V，$V_B$=0.7V。
$$
图3-6偏置电压
$$
3.1.5BJT的特性曲线
$$
图3-8基极-发射极特性
$$
基极-发射极特性 发射结的 $I-V$ 特性曲线如图3-8所示。可以看到，它与一般的二极管的I-V特性曲线相同。因此可以用第⒉章中给出的三种二极管模型中的任何一个来对发射结建立模型。在大多数情况下，该模型足够精确。这意味着,如果要对一个BJT电路进行检修，可以通过查看发射结(正向偏置)两端的压降是否为 0.7V 来确定晶体管是否导通。如果电压为0,则晶体管不导通;如果远大于 0.7V，则很有可能该晶体管的发射结开路。
$$
a)电路
$$
$$
b)给定I_B、I_C与V_{CE}的关系
$$
$$
c)给定几个I_B值(I_{B1}<I_{B2}<I_{B3}等)，I_C与V_{CE}的曲线族
$$
$$
图3-9集电极特性曲线
$$
集电极特性 已经知道集电极电流与基极电流成比例($I_C=\beta_{DC}I_B$)。如果没有基极电流，则集电极电流为0。为了画出集电极特性,必须选择―个基极电流并保持固定不变。图3-9a所示的电路可以用来产生一组集电极 $I-V$ 曲线来表示在给定基极电流的情况下 $I_C$ 如何随 $V_{CE}$ 变化而变化。这些曲线称为集电极特性曲线。
在电路图中可以看到直流电源电压 $V_{BB}$ 和 $V_{CC}$ 都是可调整的。如果将 $V_{BB}$ 设置为产生一个特定的$I_B$值，$V_{CC}$ 设为0，那么 $I_C=0$，$V_{CE}=0$。此时，随着 $V_{CC}$ 逐渐增大，$V_{CE}$ 将增大，$I_C$ 也将增大，如图3-9b中 A 点和 B 点之间的曲线所示。
当 $V_{CE}$ 达到 0.7V 时，集电结变为反偏，$I_C$ 达到其最大值 $I_C=\beta_{DC}I_B$。理想情况下，随着 $V_{CE}$ 继续增大，$I_C$ 基本保持固定不变。这如图3-9b中 B 点右边曲线所示。实际上，随着 $V_{CE}$ 增大 $I_C$ 会稍微增大，这主要因为集电结耗尽区宽度会变宽，从而导致基区中复合的空穴更少。$I_C$ 上升的陡峭程度由一个称为正向厄尔利电压(因J.M.Early而得名)的参数决定。
将 $I_B$ 设置为其他固定值，就可以产生 $I_C$ 与 $V_{CE}$ 之间的其他曲线，如图3-9c所示。这些曲线组成了特定晶体管的集电极曲线族，使得晶体管三个变量之间的相互作用关系变得可视化。保持其中一个变量($I_B$)固定，就可以看到其他两个变量( $I_C$ 对 $V_{CE}$ )之间的关系。
3.1.6截止和饱和
当 $I_B=0$ 时，晶体管处于截止状态，此时集电极电流几乎为0，除了一个非常小的集电极泄漏电流 $I_{CEQ}$，不过该泄漏电流通常可以忽略。在截止状态，发射结和集电结都反向偏置。当对处于截止状态的晶体管进行故障检测时，可以假定集电极电流为0﹔因此，集电极电阻上没有电压降。集电极和发射极之间的电压几乎等于电源电压。
现在考虑相反情况。当图3-9中的发射结变为正向偏置并且基极电流增大时，则集电极电流也增大，$R_C$ 两端的电压降增大，因此 $V_{CE}$ 减少。根据基尔霍夫电压定律，如果 $R_C$ 两端的电压增大，则晶体管两端的压降势必减少。理想情况下，当基极电流足够高时，电压 $V_{CC}$ 全部加在 $R_C$ 两端，而集电极和发射极之间没有电压。该工作状态称为饱和状态。当电源电压 $V_{CC}$ 是集电极电路的总电阻 $R_C$ 两端的电压时产生饱和状态。这种组态下饱和电流为:
$$
I_{C(sat)}=\frac{V_{CC}}{R_C}
$$
一旦基极电流足够高以至于产生饱和状态，进一步增大基极电流并不会影响集电极电流，式子 $I_C=\beta_{DC}I_B$ 也不再成立。当 $V_{CE}$ 达到饱和值 $V_{CE(sat)}$ 时，集电结变为正向偏置。理想情况下， $V_{CE(sat)}$ 为0。
进行晶体管电路故障检测时，对截止或饱和状态进行快速检查可以提供有用的信息。必须牢记，当晶体管处于截止状态时，集电极和发射极之间的电压几乎就是整个电源电压。饱和晶体管在集电极和发射极之间实际上存在一个非常小的电压降(一般为 0.1V)。
3.1.7直流负载线
$$
a)右侧框所示的集电极电路是一个戴维南电路。左侧框中显示的晶体管电路为负载
$$
$$
b)~~a)中戴维南电路的直流负载线
$$
从1.3节已经知道戴维南电路可以画成一个电压源与一个电阻的串联。考虑图3-12a所示的电路，集电极电压源 $V_{CC}$ 和集电极电阻 $R_C$ 组成一个戴维南电源，晶体管为负载。该电源能够提供的最小和最大电流分别为 0 和 $V_{CC}/R_C$。当然，这就是前面所定义的截止值和饱和值。注意，饱和点和截止点仅取决于戴维南电路，晶体管对此没有影响。截止点和饱和点之间所画的一条线段定义了该电路的直流负载线，如图3-12b所示。该线段给出了该电路所有可能的直流工作点。
$$
c）叠加在直流负载线上的集电极特性曲线
$$
$$
图3-12直流负载线
$$
任何类型负载的 $I-V$ 曲线都可以作为直流负载线加到相同的图形中来得到电路工作的图形化表示，如1.3节所示。图3-12c给出了一条直流负载线，它叠加在一系列理想集电极特性曲线上。只要保持直流工作状态，任何 $I_C$ 值以及相应的 $V_{CE}$ 值都将位于这条直线上。
$$
a)特性曲线
$$
$$
b）直流测试电路
$$
现在介绍如何运用直流负载线和晶体管特性曲线来说明晶体管的工作属性。假定有一个晶体管，它具有如图3-13a所示的特性曲线，并将它安装在图3-13b所示的直流测试电路中。通过画出直流负载线，可以用图解法求得电流和电压。首先，在负载线上确定截止点。当晶体管截止时，本质上没有集电极电流，因此集电极与发射极之间的电压和电流为:
$$
V_{CE(cutoff)}=V_{CC}=12V,~~I_{C(cutoff)}=0mA
$$
然后，确定负载线上的饱和点。当晶体饱和时，$V_{CE}$ 近似为0。因此，$R_C$两端的压降为$V_{CC}$，对集电极电阻应用欧姆定律可求得集电极电流的饱和值 $I_{C(sat)}$ 为:
$$
I_{C(sat)}=\frac{V_{CC}}{R_C}=\frac{12V}{2.0k\Omega}=6.0mA
$$
该值为 $I_C$ 的最大值。在没有改变 $V_{CC}$ 或 $R_C$ 时，该值不可能变得更大。
$$
c)负载线以及特性曲线
$$
接下来，在特性曲线的同一个图上画出截止点和饱和点，并在两者之间画出一条线段，即负载线。这表示该电路所有可能的工作点。图3-13c在同一幅图上给出了负载线以及该晶体管的特性曲线。
3.1.8Q点
在求得实际集电极电流之前，需要建立基极电流 $I_B$。参考原始电路，显然基极电源 $V_{BB}$ 是基极电阻 $R_B$ 和正向偏置的发射结串联组合两端的电压。这意味着基极电阻两端的电压为: $$ V_{R_B} = V_{BB}-V_{BE}=12V-0.7V=11.3V $$ 应用欧姆定律可以求得基极电流 $$ I_B = \frac{V_{R_B}}{R_B}=\frac{11.3V}{1.0M\Omega}=11.3μA $$
基极电流与负载线的交叉点为电路的静态点或 Q 点。通过在 10μA 和 15μA 基极电流线之间插值可以在图3-13上求得 Q 点。Q 点的坐标就是 $I_C$ 和 $V_{CE}$ 值，如图3-13d所示。从图3-13上读出这些值，可以求得 $I_C$ 值近似为2.6mA，$V_{CE}$ 近似为7.0V.
图3-13d中的图形完全说明了该放大器电路的直流工作状态。进行故障检测时不需要画出负载线，而是要学会对电路应用基本数学知识来得到给定电路的工作情况。但是，负载线为描述晶体管的直流工作提供了一种非常有用的图形描述。
$$
d）定位Q点
$$