Lecture 3-4 Transistors 晶体管

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2026/06/12 01:40:38 CST

艾蜜莉啊艾蜜莉，夕阳照进我心底；

我要带你去寻找，散落的星星。

《艾蜜莉》

回春丹

TIP

通信一周学完了电工一学期的内容，唉。

章节目录

• 章节目录
• 3-1 BJT 结构 Bipolar Junction Transistor Structure
• 3-2 BJT 工作条件 BJT Biasing
• 3-3 BJT 电流关系 BJT Current Relations
• 3-4 BJT 工作区与负载线 Operating Regions and Load Line
• 3-5 BJT 作为放大器与开关 Amplifier and Switch
• 4-1 JFET 结构与工作原理 JFET Structure and Operation
• 4-2 JFET 特性曲线 JFET Characteristics
• 4-3 JFET 转移特性与跨导 Transfer Characteristic and Transconductance
• 4-4 JFET 偏置 JFET Biasing
• 4-5 MOSFET
• Summary

3-1 BJT 结构 Bipolar Junction Transistor Structure

BJT

BJT，双极结型晶体管，由 emitter、base、collector 三个区域组成。它同时依靠电子和空穴两种载流子工作。

BJT 有两种基本类型：

类型	结构	常规电流方向	说明
npn	n-p-n	从 collector 流向 emitter	电子为主要参与者
pnp	p-n-p	从 emitter 流向 collector	极性与 npn 相反

三个区域的掺杂通常不同：

• emitter 重掺杂，用于注入载流子；
• base 很薄且轻掺杂，减少复合；
• collector 中等掺杂，负责收集载流子并承受较高电压。

3-2 BJT 工作条件 BJT Biasing

BJT 正常放大工作时处于 active region。此时：

结	偏置状态
Base-emitter junction	正向偏置
Base-collector junction	反向偏置

对 npn 管，正常有

对 pnp 管，电压极性相反。

TIP

硅 BJT 的 base-emitter 结在正向导通时常近似为 。

3-3 BJT 电流关系 BJT Current Relations

BJT 三端电流满足

直流电流增益定义为

数据手册中常用 表示 。

另一参数为

由于 ，故

与 的关系为

PROBLEM

若在 BJT 输出特性曲线上读得 时 ，求 。

SOLUTION

由定义

代入可得

3-4 BJT 工作区与负载线 Operating Regions and Load Line

BJT 输出特性曲线可分为三个主要区域。

区域	条件	特点
Cutoff 截止区		，晶体管近似开路
Active 放大区	BE 正偏，BC 反偏
Saturation 饱和区	BE、BC 都正偏	很小， 由外电路限制
Breakdown 击穿区	过高	电流急剧增大，不作为正常工作区

饱和时常用近似：

直流负载线由外部电路决定。对简单 collector 电阻电路，

截止点为

饱和点近似为

PROBLEM

已知 ，，饱和时取 。求饱和电流与截止电压。

SOLUTION

饱和电流为

截止时 ，因此

若再给定 、、，则

按 active region 估算：

由于 ，晶体管没有饱和，工作点仍在 active region。

---

PROBLEM

图中晶体管 。已知 ，，，，取 。求 、、、 与 。

SOLUTION

基极电流为

集电极电流为

发射极电流为

集电极-发射极电压：

集电极-基极电压：

由于 ，collector-base 结反向偏置。

3-5 BJT 作为放大器与开关 Amplifier and Switch

BJT 可把直流电源能量转换为交流信号能量，因此可作为放大器。小信号分析中，输入交流信号叠加在直流偏置上，输出常出现相位反转。

未饱和 BJT 的直流模型可以看成两部分：

• 输入端 base-emitter 结近似为正向导通二极管；
• 输出端 collector-emitter 之间由受控电流源表示，电流约为 。

所以先算 ，再判断 是否超过外电路允许的 ，是 BJT 开关题最稳的做法。

BJT 也可作为开关：

状态	近似模型	负载状态
Cutoff	开路	OFF
Saturation	闭合开关	ON

PROBLEM

LED 需要约 电流。已知 ，，，，，。若为保证饱和取两倍最小基极电流，求输入方波高电平 。

SOLUTION

先求饱和集电极电流：

最小基极电流：

取两倍安全裕量：

因此

代入 ：

故输入高电平约取 。

4-1 JFET 结构与工作原理 JFET Structure and Operation

JFET

JFET，即结型场效应晶体管，通过 gate-source PN 结的反向偏置改变沟道宽度，从而控制 drain current。

JFET 有三个端点：

端点	英文	说明
Source	源极	多数载流子进入沟道
Drain	漏极	多数载流子离开沟道
Gate	栅极	控制沟道宽度，通常反向偏置

对 n-channel JFET，通常有

当 更负时，耗尽层变宽，沟道变窄， 减小。

4-2 JFET 特性曲线 JFET Characteristics

JFET 漏极特性曲线主要分为三段。

区域	英文	特点
欧姆区	Ohmic region	与 近似满足 Ohm 定律
恒流区	Active / constant-current region	主要由 决定
击穿区	Breakdown region	电流急剧增大，可能损坏器件

夹断电压 Pinch-off voltage 表示沟道进入夹断状态所需的 。对 n-channel JFET，数据手册常给出 ，其幅值与 相关。

PROBLEM

图中 JFET 有 ，，。当 时，求使器件刚进入恒流区所需的最小 。

SOLUTION

当 时，进入恒流区的最小条件可取

此时

电阻压降为

由 KVL：

故最小 约为 。

4-3 JFET 转移特性与跨导 Transfer Characteristic and Transconductance

JFET 转移特性 Transfer Characteristic

JFET 转移特性表示 随 的变化关系，通常在恒流区内使用。

Shockley 方程为

其中 为使 近似降为 0 的 gate-source 电压。

若已知 占 的比例，也可以反求 。例如

代入 Shockley 方程：

于是

若 ，则

跨导定义为

若已知 ，可用近似式

其中

TIP

JFET 的 不是常数。工作点改变时，转移曲线斜率也随之改变。

JFET gate-source 结反向偏置，因此输入电阻很高。可用漏电流估算：

温度升高时 会增加，输入电阻会明显下降。课件例题给出的数量级是： 时约 ， 时约 。

4-4 JFET 偏置 JFET Biasing

JFET 常见偏置方式如下。

偏置方式	特点	说明
Self-bias	简单常用	gate 近似为 ，source 电阻产生负
Voltage-divider bias	稳定性更好	gate 电压由分压器设置
Current-source bias	电流更稳定	drain current 对 变化不敏感

自偏置 Self-Bias：对 n-channel JFET，gate 通过 接地，故

因此

若根据目标工作点选择源极电阻：

例如目标工作点为 、，则

NOTE

分压偏置 Voltage-Divider Bias 的 gate 电压由 、 分压设定，不依赖于 ：

source 电压仍为 ，故

与 Shockley 方程 联立可解出 Q 点。分压偏置比自偏置的 对器件参数变化更不敏感，因为 被分压器固定。

在图解法中，分压偏置线与 transfer curve 的交点就是 Q 点。课件例题的读数约为

JFET 还可以工作在 ohmic region，作为电压控制电阻使用。此时 改变沟道宽度，等效 随之改变，可用于可变衰减器或模拟开关。

4-5 MOSFET

MOSFET

MOSFET 是 gate 与沟道之间由二氧化硅绝缘层隔开的场效应晶体管。其输入电阻很高，但也更容易受静电影响。

MOSFET 可分为 depletion MOSFET 与 enhancement MOSFET。

类型	是否有预先形成的沟道	工作模式
D-MOSFET	有	depletion 或 enhancement
E-MOSFET	无	只能 enhancement

对 n-channel E-MOSFET，只有当

时才形成导电沟道。其转移特性常写为

对 n-channel D-MOSFET，可近似使用与 JFET 类似的形式：

MOSFET 使用时需要注意静电防护：

• 器件应保存在导电泡棉或防静电袋中；
• 测试仪器和工作台应接地；
• 操作人员应使用带串联高阻的接地腕带；
• 电路上电时不要随意插拔 MOSFET；
• 直流电源关闭时，不应单独给 gate 加信号。

TIP

接地腕带中串联高阻是为了限流。若人体误触电源，高阻可降低危险电流。

实际选型还要看几个限制参数：

参数	含义
/	drain-source 击穿电压
	导通电阻，越小导通损耗越低
Continuous	允许连续漏极电流
	最大耗散功率

E-MOSFET 常用 voltage-divider bias 或 drain-feedback bias 建立 的工作点。D-MOSFET 可以零偏置工作，此时

IGBT 可以看成 MOSFET 输入特性与 BJT 输出能力的结合，常用于高压、中频功率开关，例如 motor control。

Summary

内容	公式 / 结论	使用条件
BJT 电流		三端电流关系
BJT beta		active region
BJT alpha
BJT 饱和电流		简单 collector 电阻电路
BJT 截止		开关 OFF
BJT 饱和		开关 ON
JFET 转移特性		恒流区
JFET 跨导		小信号斜率
JFET 自偏置		n-channel，
E-MOSFET