什么是双极型晶体管？双极晶体管类型和理论

双极型晶体管，通常称为双极结型晶体管或BJT，是一种多功能的分立半导体器件。分立半导体的种类繁多，从二极管和整流器到双极型晶体管，这种特殊的器件主要是作为单个半导体来实现一种功能，而不是在印刷电路板（PCB）上将多个半导体元件构建到一个集成电路中。

双极型晶体管是固态的三引脚（基极、集电极和发射极）组件，由三层硅构成。主要有两种类型，即PNP（正-负-正）和NPN（负-正-负）。与所有晶体管一样，BJT的基本功能通常是作为开关或放大器、滤波器和整流器。

双极型晶体管是受电流控制和操作的设备，这意味着较小的基极电流会导致从发射极到集电极流动更大电流。而变压器可以放大电流或电压，晶体管可以放大二者。在其较为常见的发射极配置中，双极型晶体管通常会放大电流，但当集成到电路中时，它可以轻松地被制作为放大输出电压的功能。因此，双极型晶体管经常被用作在各种电路、系统和产品类型中进行信号放大的方法。

双极型晶体管是被创造出来的最早的功能性晶体管设备之一。早期的双极型晶体管是由著名的战后物理学家和工程师Bardeen、Brattain和Shockley等人锐意进取的成果。双极型晶体管首次出现于20世纪40年代后期的贝尔实验室，在随后的几十年中迅速成为通用标准。恰如其分的是，他们三位发明家因为将双极型晶体管推向大规模生产而获得了1956年诺贝尔奖。

双极型晶体管能够放大模拟信号和数字信号，并具有切换直流电源或充当振荡器的能力。虽然双极型晶体管主要设计用于放大（模拟）电流，但它们也可以在电路中作为电子（数字）开关运行。

在双极结型晶体管的构造中，三层半导体材料被夹在一起。根据这些层的排列方式，我们得到两种主要类型的双极型晶体管 - PNP 或 NPN。

半导体是一种允许一定电子流量通过的材料。因此，它既不是真正的导体，也不是绝缘体。给定半导体材料的整体导电性水平可以通过在制造阶段引入各种杂质的方式来影响，这个过程被称为掺杂。

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与层之间的电流流动方向。这将取决于添加或移除的杂质类型以及层的排列方式。

在双极型晶体管中，其半导体层中的一层或两层将被掺杂以增加电子数，使其带负电荷，即N型。另一方面，剩下的一层或两层将被掺杂以引入电子缺陷，使其带正电荷，即P型。

根据双极型晶体管半导体夹层的掺杂类型和排列，电流流过双极型晶体管的方向可以翻转。这导致了两种基本类型的双极型晶体管结构。PNP晶体管在两层P型材料之间夹有一层N型半导体，NPN晶体管则相反：

• 缩写PNP（正-负-正）和NPN（负-正-负）表示BJT中夹在一起的半导体层的顺序
• 根据硅层的排列方式，电流将以一个方向或另一个方向流动
• NPN晶体管具有一块P型硅（基极）夹在两块N型硅（集电极和发射极）之间。这是常见的基极配置
• PNP晶体管颠倒此顺序
• 常用的晶体管配置是NPN晶体管

双极型晶体管具有各种特性，使它们非常有效。双极型晶体管特性包括：

• 它们可以接受低输入电流，并将其用于输出更大的电流
• 而机械开关总是需要执行器来进行物理移动以起作用，晶体管开关的二进制开/关状态是在基极配置处受电压控制的
• 与机械开关不同，它们可以被 PWM（脉冲宽度调制）信号控制
• 晶体管开关不会像机械开关那样受到任何物理弹跳的影响

双极型晶体管开关特性

控制电子电路中的电力流动是晶体管存在的关键功能之一。在这种角色中，晶体管实际上扮演的是电子开关而不是放大器。当被推入饱和或截止模式时，双极型晶体管基本上复制了常规电路开关的二进制开/关功能。因此，它可以用于创建逻辑门。

该图表显示了电子通过简单电路的流动情况。

(a) 机械开关

(b) N-P-N 晶体管开关

(c) P-N-P 晶体管开关

双极型晶体管之所以被称为双极，是因为它们使用两种不同类型的硅半导体来组合正负电荷（因此是双极的）。这两种不同类型的硅电荷载体在不同的配置中被物理夹在一起，形成一种结合。

双极型晶体管由三个端子或引脚组成，分别称为基极、集电极和发射极。双极型晶体管中对集电极的简单定义是它是晶体管输出放大电流的部分。与任何晶体管一样，双极型晶体管的核心工作概念是，在基极区域和集电极区域之间流动的少量电流会导致集电极和发射极区域之间流动更大的电流。

在这方面，晶体管本质上是一种放大器，因此，也许并不令人意外，它们常见的应用之一就是驱动现代音频技术。由于双极器件可以制造以处理大电流，它们在电子音频输入/输出设置中作为高功率放大器以及在其他诸如无线发射器等要求严格的技术中表现特别有效。

和所有晶体管一样，双极型晶体管可以根据基极-发射极结的电流范围，在线性和非线性两种模式下运行。在给定模型规定的电流范围之外，基极-发射极电流和集电极-发射极电流（也被称为电流增益）之间的线性关系将不再是线性的。换句话说，双极型晶体管可以被驱动进入截止（关）和饱和（开）模式，以及其标准的主动（放大）模式。

主动模式

在这种模式下，晶体管可以作为电流的放大器，从基极引脚流向集电极。它可以比例地增加从集电极引脚到发射极的电流流动。

这是晶体管可以运行的功能强大的模式之一，可以说是晶体管在电路中常见的应用。

开启或饱和模式

在这种模式下，晶体管在共集极和共发射极之间有效地充当短路。两者之间的电流流动基本上是不受限制的，因为晶体管作为一个闭合或完整的电路运行。

关闭或截止模式

这种模式是饱和的相反。晶体管基本上类似于一个断开或开路的电路；不允许集电流流动，因此也没有发射极电流输出。

当被驱动进入截止或饱和模式时，双极型晶体管实际上更像是一个二进制（开/关）电路开关。除了放大，这也是晶体管功能强大的用途之一。