BJT晶体管如何在饱和状态下工作?

电器工程 晶体管 bjt 物理 饱和
2022-01-13 11:59:44

这就是我对 NPN BJT(双极结型晶体管)的了解:

  • 基极-发射极电流在集电极-发射极处放大 HFE 倍,因此Ice = Ibe * HFE
  • Vbe是基极-发射极之间的电压,并且与任何二极管一样,通常约为 0.65V。不过,我不记得了Vec
  • 如果Vbe低于最小阈值,则晶体管打开并且没有电流通过其任何触点。(好吧,可能有几 µA 的泄漏电流,但这无关紧要)

但我还有一些问题:

  • 晶体管饱和时如何工作?
  • Vbe在低于阈值以外的某些条件下,是否可以使晶体管处于开路状态?

此外,请随时指出(在答案中)我在这个问题中犯的任何错误。

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4个回答

饱和仅仅意味着基极电流的增加导致集电极电流没有(或很少)增加。

当 BE 和 CB 结都正向偏置时会发生饱和,这是器件的低电阻“开”状态。晶体管在所有模式下的特性,包括饱和度,都可以从 Ebers-Moll 模型中预测。

您的 \$I_{CE}\$ = \$I_{BE} \times h_{FE}\$ 不太正确。这个方程显示了如果给定足够的集电极电压,集电极电流可能是多少。当你没有给它足够的电压时,就会发生饱和。因此,在饱和时,\$I_{CE} \lt I_{BE} \times h_{FE}\$。或者您可以反过来看,即您提供的基极电流超过了处理电路可以提供的所有集电极电流所需的基极电流。从数学上讲,就是 \$I_{BE} \gt I_{CE} \mathbin{/} h_{FE}\$。

由于 NPN 的集电极将充当电流吸收器,并且在饱和状态下,外部电路不会为其提供尽可能多的电流,因此集电极电压将尽可能低。饱和晶体管的 CE 值通常约为 200mV,但这也可能因晶体管的设计和电流而有很大差异。

饱和的一种伪影是晶体管将缓慢关闭。基地中有额外的“未使用”费用,需要一点时间才能耗尽。这不是很科学,只是粗略地描述了半导体物理学,但它是一个足够好的模型,可以作为一阶解释牢记在心。

一件有趣的事情是饱和晶体管的集电极实际上低于基极电压。这用于在肖特基逻辑中发挥优势。肖特基二极管从基极到集电极集成到晶体管中。当集电极接近饱和时变低时,它会窃取基极电流,使晶体管保持在饱和边缘。由于晶体管未完全饱和,导通电压会稍高一些。优点是它使关断转换更快,因为晶体管处于“线性”区域而不是饱和状态。

  1. 当它饱和时,集电极电流不再是基极电流的 \$h_{FE}\$ 倍。更少,多少,取决于电路的其余部分(我说的是你能想到的最简单的模型)。在饱和状态下,\$V_{CE}\$ 电压可以被认为或多或少是恒定的,你可以称它为 \$V_{CEsat}\$,假设在 \$0.2\mathrm V\$ 左右。当 BJT 的 BE 和 BC 连接都处于活动状态时,您的 BJT 就会饱和。这将 \$I_C\$ 电流限制为小于 \$I_B h_{FE}\$ 并将 \$V_{CE}\$ 电压降固定到 \$V_{CEsat}\$。

  2. 如果没有电流通过,您为什么要关心 BJT 处于打开状态?这就像在管道中没有水的情况下打开水龙头:D

连接发射极电阻意味着晶体管将进入饱和状态,但基极电阻和集电极电阻将保持不变。你画一个电路并计算基极电流,那么你会得到很好的结果。