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(BJT在各种偏置时输出电流的相对大小如何?BJT击穿电压的相对大小如何?)
作者:Xie M. X. (UESTC,成都市)
(1)BJT的基本工作状态:
BJT的基本工作状态有三种:放大状态、截止状态和饱和状态。BJT处于何种工作状态,完全由发射结和集电结上外加偏压的方向来决定:
*发射结正偏、集电结反偏:放大状态(输出电流正比于输入电流);
*发射结反偏、集电结反偏:截止状态(输出小电流、高电压);
*发射结正偏、集电结正偏:饱和状态(输出最大的恒定电流、低电压,IC=VCC/RL)。
由于BJT有三个电极(E,B,C),这三个电极的不同连接方式也将导致BJT具有不同的特性;而且BJT还有三种基本应用组态,不同的组态也将导致BJT具有不同的特性。所以,BJT的电学性能既与偏置条件有关,也与BJT的应用组态有关。
(2)基区中少数载流子浓度的分布形式:
由于BJT的工作主要是依靠其中少数载流子的输运来实现的,而少数载流子输运所产生的电流主要是扩散电流,则BJT电流的大小将直接决定于少数载流子浓度分布的梯度,因此BJT的工作性能也将直接决定于基区中的少数载流子浓度的分布形式。这就意味着,尽管BJT的性能与许多因素有关,但是只要明确了基区中少数载流子浓度分布的形式,那么就可以一目了然地大致知道相应的基本特性。
BJT基区中的少数载流子浓度分布原则上都可以在不同的边界条件下、通过求解扩散方程而得到。对于基区宽度小于少数载流子扩散长度的情况,浓度分布是线性分布;对于基区宽度远大于扩散长度的情况,浓度分布是指数分布;对于基区宽度~扩散长度的情况,浓度分布是双曲线函数的分布。
当基区宽度一定时,在不同的偏置情况下,少数载流子浓度分布的形式也将大不相同。BJT基区中基区中少数载流子浓度的几种典型分布形式如图(a)和(b)所示。
图(a)是BJT共基极组态的分布形式:①对应于放大状态(输出电流IC=aoIE);②对应于截止状态(输出很小的截止电流~ICBo);③对应于饱和状态(输出电流最大、恒定);④是发射结0偏(E-B短路)时的分布(浓度梯度完全决定于平衡少数载流子浓度,输出电流ICBS大于ICBo,但小于放大状态的电流);⑤是发射极开路(IE=0)时的分布(在分布②与分布④之间,输出电流ICBo大于,但小于);⑥对应于临界饱和状态(发射结正偏、集电结0偏),这是放大状态的极限,输出电流仍有IC=aoIE。
图(b)是BJT共发射极组态的分布形式:①对应于放大状态(IC=boIB),这时的输出电流也就是集电结的反向电流ICEZ;②对应于截止状态(输出电流也就是集电结的反向饱和电流~ICBo);③对应于饱和状态(输出电流最大、恒定);④是发射结0偏(E-B短路)时的分布(与共基极组态的④相同,输出电流为ICES);⑤是发射结上加有一个较小的反向偏压时的分布(输出电流ICEX在②与④之间,小于ICES、大于ICBo);⑥对应于临界饱和状态(发射结正偏、集电结0偏),仍属于放大状态,有IC=boIB。
对于共发射极组态,还有两种特殊的情况:一是基极(输入端)开路,这时相应的分布类似于①、但梯度远小于①(因为这时仍然是发射结正偏、集电结反偏,属于放大状态,只不过电流很小而已),处于①与④之间;输出的电流为穿透电流(ICEo=(1+bo)ICBo),大于共基极组态输入端(发射极)开路时的ICBo。二是在基极与发射极之间接上一个电阻,这时相应的分布应该位于基极开路的①和基极短路的④之间,因此输出电流ICER也在这两种状态之间(大于ICES、小于ICEo)。
总之,BJT的输出电流从本质上来说,都是集电结的反向电流;对于共发射极组态BJT,在各种偏置条件下的集电结反向电流的相对大小可以给出为:
ICEZ>ICBo>ICER>ICES>ICEX>ICbo
(3)共发射极组态BJT在各种偏置条件下的击穿电压:
BJT的击穿电压是集电结反向电流急剧增大时的电压,与反向电流的大小直接有关(反向电流越大,击穿电压就越低)。
BJT的各种击穿电压主要有(除发射结击穿电压以外):
BVEBo是集电极开路时,E-B之间所能承受的最高反向电压,即发射结的击穿电压。
BVCBo是共基极组态、发射结开路时、B-C之间的最高反向电压,即集电结的击穿电压。
BVCEo是共发射极组态、在基极开路时的C-E之间的击穿电压。
BVCES是共发射极组态、B-E短路时所对应的C-E之间的击穿电压。
BVCER是共发射极组态、B-E之间接有电阻时所对应的C-E之间的击穿电压。
BVCEX是共发射极组态、B-E之间接有反向偏置电源时所对应的C-E之间的击穿电压。
BVCEZ是共发射极组态、B-E之间接有正向偏置电源时所对应的C-E之间的击穿电压,这实际上也就是放大状态时的击穿电压。
由各种偏置条件下的集电结反向电流的相对大小,即可得知各种击穿电压的相对大小为:
ICEZ<ICBo<ICER<ICES<ICEX<ICbo
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