三极管(BJT)工作在饱和区为什么要求集电极正偏解析

晶体管共发射极电流放大作用的深层原理

（本文仅供参考）以下文字中，用“BJT”缩写代指双极型晶体管，即一般的三极管。

目前国内的模电教科书，对BJT电流放大作用，特别是共发射极电流放大作用，存在讲述不清的问题，因为要正确理解BJT共发射极电流放大作用，需要较深的半导体知识，已经超出模电教学大纲的基本要求。

一般模电教科书，是先以共基极放大电路讲出BJT内部的电流分配关系，即IE=IB+IC，同时IB<<IC，然后就一步跳到共发射极放大电路，说明IB微小变化会导致IC较大变化，得出电流放大的结论。这一过渡不是十分自然，因为共基极放大电路只能在一定程度上说明BJT内部的电流分配关系，但在共发射极放大电路中，从形式上看，IB是受到外部电路中的VBB和RB控制的，可以认为IB=(VBB-VBE)/RB，其中VBE与一般二极管正向压降一样近似不变（对硅晶体管约为0.7V），IE=IB+IC的分配关系，并不能清晰得出“如果IB受到外部电路的控制而变化，一定会导致IC更大变化”这个结论，因此很多较为认真的读者都会在这里有“囫囵吞枣”的感觉。

要彻底理解这个问题，需要一些较深入的半导体相关知识。

首先说明一个PN结的基本知识，PN结两边的半导体掺杂浓度越高，PN结（指PN结耗尽层或者势垒区）就越薄，因为掺杂浓度越高，载流子浓度也就越高，形成PN结时，扩散过来的载流子就越容易被复合掉，载流子向另一侧半导体的扩散深度就越浅，导致PN结变薄。例如，高掺杂的稳压二极管PN结就比整流二极管薄，隧道二极管掺杂浓度更高，PN结更薄，进而能导致“隧道效应”。

PN结外加电压几乎全部降落在PN结（耗尽层或者势垒区）上，PN结越薄，同样的PN结外加电压（不管是正向还是反向）导致的外加电场就越强，因为电场强度的单位是V/m，那么PN结外加电压发生变化时，PN结外加电场强度的变化就越大，例如稳压二极管的齐纳击穿正是因为高掺杂——薄PN结——强电场导致的。

PN结加正向电压时，外加电场（从P指向N）削弱了PN结内建电场（从N指向P），此时两侧半导体载流子扩散变得容易，一侧的多数载流子扩散到另一侧，成为另一侧的过剩少数载流子，使得另一侧半导体中的少数载流子浓度增加，但少数载流子浓度是否一定与正向电流成正比？未必！扩散过来的过剩少数载流子一定要和多数载流子复合，这时另一侧半导体中原有的多数载流子也在正向电压外加电场作用下做漂移运动，于是在PN结附近，扩散过剩少数载流子与原半导体中漂移多数载流子复合，越远离PN结，过剩少数载流子被复合越多，半导体中被复合掉的多数载流子，通过外电路进行补充，这样在外电路中才形成了正向电流，外电路正向电流起到了补充多数载流子的作用，因此外电路正向电流的大小，准确地说，应该是和单位时间内漂移—复合掉的多数载流子个数成正比，而不是和少数载流子浓度成正比，这个是很容易理解的，因为I=q/t，即电流等于电量与时间之比，而载流子个数就相当于电量。

对于单个的PN结或者说二极管，加上正向电压后最终达到一种动态平衡，这时单位时间内扩散过PN结的少数载流子总数，与单位时间内漂移—复合掉的多数载流子总数，可以认为是相等的，最终就得到小注入情况下PN结的电流—电压方程：

I=IS*(exp(V/VT)-1)

或者：I≈IS*exp(V/VT)

其中VT≈0.026V=26mV。由于二极管正向导通时一般V>>VT，I又是随着V/VT增加以指数规律上升的，因此二极管正向导通时正向电压的微小增加就会导致正向电流的很大增加，这一说法反过来说就是：二极管或者PN结正向导通时，在很大正向电流范围内正向电压基本保持不变，对于硅PN结这一正向电压约为0.7V，也就是硅PN结的正向压降。但这一说法不能完全理解为“正向电压超过正向压降PN结两端电压就维持不变”，实际上，随着正向电流增加，PN结正向电压还是会有微小增加的。

BJT的结构是两个背靠背的PN结，而且中间的基区很薄，发射区掺杂浓度很高，由于两个PN结的相互影响，情况就发生了变化。BJT正常放大工作时，发射结加正向电压，集电结加上反向电压，高掺杂浓度的发射区导致发射结很薄，进而导致发射区大量多数载流子扩散到基区，成为基区中的过剩少数载流子，但由于基区非常薄，这些过剩少数载流子来不及在基区复合掉，大部分都扩散到集电结边缘了，而集电结加反向电压，过剩少数载流子在反向电压作用下漂移越过集电结，直接又成为集电区中的多数载流子，不需要在集电区中复合就可以形成集电极电流，因此，基区中有发射区扩散过来的大量过剩多数载流子，但却无法在基区复合，大部分从基区中通过，越过集电结形成集电极电流。由于基区只复合掉了一小部分发射区扩散过来的过剩多数载流子，外电路也只需要补充这一小部分复合掉的基区多数载流子，因此虽然基区中有发射区扩散过来的大量过剩多数载流子，却形不成较大的基极电流，这与单个PN结的情况发生了本质变化，基区中单位时间内漂移—复合掉的多数载流子总数远少于单位时间内发射区扩散过来的少数载流子总数，基极电流IB与基极—发射极正向电压VBE的电流—电压方程实际上变成了：

IB≈(1-α)*IES*exp(VBE/VT)

或者写成：

IB≈IES*exp(VBE/VT)/(1+β)

可见，实际的基极电流IB相对单个PN结的情况减少到了1/(1+β)，这一点说明：随着VBE的增加，IB的增加相对单个PN结要慢一些了，但由于仍然有VBE>>VT，IB仍然随着VBE/VT增加以指数规律上升，相对指数规律的增加，倍数减少导致的“慢一些”实际效果是非常有限的，在很大的IB范围内VBE仍然保持基本不变，VBE只比单个PN结的正向压降高一点点。上述变化在BJT的共发射极输入特性曲线上表现为：加上足够的VCE使得集电结反偏后，输入特性曲线向右稍微移动一点，斜率稍微下降一点，但对于硅BJT仍有VBE≈0.7V，因此BJT共发射极工作时的IB看起来主要由外电路决定，即有形式上的IB=(VBB-VBE)/RB，当增加VBB或者减小RB使得IB增加时，实际上VBE还是会有增加，而且比单个PN结正向电压的增加幅度要大一些。

BJT共发射极工作时，外电路控制了基极电流IB的变化，同时也控制了基极—发射极正向电压VBE，相当于发射结正向电压的变化，此时PN结不能再使用“正向电压超过正向压降（硅PN结0.7V左右）PN结两端电压就维持不变”的简单模型分析，而必须用上述IB与VBE的电流—电压方程分析，随着外电路导致IB增加，VBE实际还是会增加的，而且比单个PN结正向电压的增加幅度还要大一些。由于高掺杂导致发射结很薄，IB微小增加，导致VBE微小增加，就会导致发射结外加电场强度的急剧增加，进而导致基区中过剩少数载流子浓度的急剧增加，这些过剩少数载流子仍然大部分形成集电极电流IC，最终导致IC急剧增加，这就是共发射极电流放大作用的原理。

从这个原理可以看出，真正导致IC增加的是VBE的增加，也就是说BJT实际还是电压控制电流器件，只是因为VBE变化很小，形式上主要是IB发生变化，因此通常将BJT理解为电流控制电流器件，BJT共发射极工作时的电流—电压方程可写作：

IC≈α*IES*exp(VBE/VT)≈IES*exp(VBE/VT)

这一电流—电压方程在分析BJT镜像电流源等电路时十分有用。

从上述原理还可以导出很多重要结论，都是BJT中实际存在的现象：

1、发射区掺杂浓度越高，放大系数β越高，由此还可以引出一个BJT设计制造时的重要参数——发射结注入效率γ；

2、基区越薄，放大系数β越高，由此也可以引出又一个BJT设计制造时的重要参数——基区宽度（厚度）WB；

3、VCE增加，放大系数β会有一定程度的增加，因为集电结反向电压越大，则集电结PN结阻挡层越宽，相当于基区变薄了，这叫做基区宽度调制效应（Early效应），因此实际晶体管的输出特性曲线族，随着VCE增加，有“散开”的趋势；

4、如果集电极电流受到外部电路的限制，例如有集电极负载，那么IB增加到一定值后，基区的过剩少数载流子不能有效漂移到集电区，在基区集电结边缘堆积起来，此时集电结电流不再增加，过剩少数载流子的堆积导致集电结反向电压减小甚至转变成正向电压，则BJT就饱和了。

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