第 4 章 雙極性接面電晶體
4-1 電晶體的結構與工作模
式
4-2 共基極組態
4-3 共射極組態
4-4 電晶體放大電路特性
4-5 電晶體之開關作用
4-1 電晶體的結構與工作模式
講解完二極體以後，從本章開始，我們要介紹另外一種半導體元件 ─電晶體。首先，先來一道「開胃菜」，如圖 4-1 所示，讓大家 對電晶體有初步的認識。
4-1 電晶體的結構與工作模式
4-1.1 電晶體的結構 雙極性接面電晶體一般簡稱為電晶體。所謂雙極性（ bipolar ） 是指其導電電流是由電子與電洞兩種不同極性的載子流所共同組成。 電晶體內部有三層不同摻雜及寬度的半導體材料，其簡化後的材料 結構如圖 4-3 所示， PNP 型電晶體是由二層型材料中間夾著一層 很薄的 N 型材料，而 NPN 型電晶體則是由二層 N 型材料中間夾著 一層很薄的 P 型材料。三層材料中，負責發射多數載子的電極稱 為射極（ emitter, E ）；在中間負責控制多數載子流向集極之 數量的電極稱為基極（ base, B ）；負責收集多數載子的電極稱 為集極（ collector,C ）。4-1 電晶體的結構與工作模式
4-1.2 主動區工作原理 PNP 型電晶體的多數載子所形成的電洞流與傳統電流方向相同， 因此先以 PNP 型為例來說明電晶體的操作原理。 NPN 型電晶體 的說明，只需將電子與電洞載子的角色互換後，和 PNP 型電晶體 的工作原理完全相同。 電晶體工作在主動區模式時， B-E 接面是順向偏壓， B-C 接面 是逆向偏壓，如圖 4-5 所示。導電載子在 B-E 接面與 B-C 接 面的操作情形如圖 4-6 所示。 當兩個偏壓一起加到兩個背對背的二極體，以模擬電晶體工作在主 動區模式時，只會獲得像開關一樣的功能（ B-E 接面是順向偏壓 導通，而 B-C 接面是逆向偏壓截止，請複習第 2-2 節有關「順 向偏壓、逆向偏壓」的敘述）。但是有兩個原因使得三層半導體結 構的電晶體在主動區偏壓模式下，獲得放大功能，一是將射極摻雜 濃度大幅提高，另一則是將基極的寬度做得非常薄。4-1 電晶體的結構與工作模式
4-1.3 電晶體的電流增益 電晶體符號的射極箭頭永遠指示傳統電流方向，如圖 4-7 所 示。 PNP 型電晶體的主要導電載子（ E 極端射出的多數載子） 為電洞流，與傳統電流方向相同，因此 E 極端的箭頭符號向內。 但是 NPN 型電晶體的主要導電載子（ E 極端射出的多數載子） 為電子流，與傳統電流方向相反，因此 E 極端的箭頭符號向外。4-1 電晶體的結構與工作模式
4-1 電晶體的結構與工作模式
4-2 共基極組態
三個端子的電晶體元件借助於外部直流電源所提供的額外功率，使 其輸出給負載的功率比輸入信號所提供的功率還多，因此電晶體屬 於主動元件且具有信號放大（ amplification ）功能。 放大器的基本結構具有輸入端、輸出端及共用端（或共同接地端） ，如圖 4-11(a) 所示。基本將電晶體放大器的三個端子（ B 、 E 和 C ）分別作為最接近於接地參考電位的共同（ common ）點，可 形成共基極（ common base, CB ）、共射極（ commonemitter, CE ）和共集極（ common collector, CC ）三種 放大組態。共基極組態（ common-base configuration ）放 大電路，其信號是由射極、基極端輸入，而由集極、基極端輸出， 基極成為輸入端與輸出端的共用端，如圖 4-11(b) 所示。
4-2 共基極組態
如 4-1 節所述，電晶體做放大器使用時，須工作在主動區模式， 也就是射極接面順向偏壓，以及集極接面逆向偏壓。因此要完整地 描述三端子元件─電晶體的行為，需有兩組特性曲線：輸入電流 （ IE ）與輸入端電壓（ VEB ）之間關係的輸入特性曲線，以及輸出 電流（ IC ）與輸出端電壓（ VBC ）之間關係的輸出特性曲線。如圖 4-12 所示為 PNP 型電晶體 CB 組態的射極輸入特性曲線以及 集極輸出特性曲線。4-2 共基極組態
4-2 共基極組態
4-2.2 輸出特性曲線 如圖 4-14 所示，輸出特性曲線組是在不同的輸入電流（ IE ）下 ，輸出電流（ IC ）與輸出電壓（ VBC ）的關係。也就是說，當輸入 電流在某一定值時，可相對應於某一條輸出特性曲線。輸出特性曲 線可依不同工作模式劃分為截止區、飽和區及主動區。4-2 共基極組態
4-2.3 共基極組態各工作區的等效電路及特性 先由射極輸入特性曲線建立 E 、 B 兩端的電路模型（圖 4-13 ）， 再由集極輸出特性曲線建立 C 、 B 兩端的電路模型（圖 4-14 ）， 最後將前兩步驟的結果整合，可建立三端子元件電晶體在各工作區 的等效模型，如表 4-2 所示。4-3 共射極組態
如圖
4-15 所示，共射極組態（ common-emitter
configuration ）的射極是基極輸入端和集極輸出端的共
用端。
4-3 共射極組態
由於 NPN 型電晶體的多數載子（電子）的速度比 PNP 型的多數載 子（電洞）快，且 NPN 型電晶體的 CE 及 CC 組態電路使用正 的直流電源（集極電位最高），因此電子電路設計多採用 NPN 型 電晶體。以下 CE 、 CC 組態的特性講解改以 NPN 型電晶體為範 例。 要完整地描述共射極組態的特性，需有兩組特性曲線：輸入電流 （ IB ）與輸入端電壓（ VBE ）之間關係的輸入特性曲線，以及輸出 電流（ IC ）與輸出端電壓（ VCE ）之間關係的輸出特性曲線。如圖 4-16 所示為 NPN 型電晶體 CE 組態的基極輸入特性曲線以及集 極輸出特性曲線。4-3 共射極組態
4-3 共射極組態
4-3.2 輸出特性曲線
如圖 4-18 所示，輸出特性曲線組是在不同的輸入電流（ IB ）下 ，輸出電流（ IC ）與輸出電壓（ VCE ）的關係。輸出特性曲線可依 不同工作模式劃分為截止區、飽和區及主動區。
4-3 共射極組態
4-3.3 共射極組態各工作區的等效電路及特性 先由基極輸入特性曲線建立 B 、 E 兩端的電路模型（圖 4-17 ） ，再由集極輸出特性曲線建立 B 、 C 兩端的電路模型（圖 4-18 ） ，最後將前兩步驟的結果整合，可建立三端子元件電晶體在各工作 區的等效模型，如表 4-3 所示。4-3 共射極組態
4-3.4 共集極組態各工作區的等效電路及特性 共集極組態（ common-collector configuration, CC ）的 集極是基極輸入端和射極輸出端的共用端。如圖 4-19 所 示， NPN 型及 PNP 型電晶體的共集極組態偏壓電路，其集極端的 直流電源 VCC 在交流分析時等效於短路而直接接地，因此成為信 號的共同接地端。4-4 電晶體放大電路特性
4-4 電晶體放大電路特性
4-4.2 共射極放大電路特性
共射極組態的放大電路，如圖 4-22 所示，因具有電流與電壓放大 增益，所以廣泛應用在放大器電路。其電路特性歸納如下：
4-4 電晶體放大電路特性
4-4.3 共集極放大電路特性
共集極組態（ common-collector configuration ）的放大 電路，如圖 4-23 所示，高輸入阻抗及低輸出阻抗的特性可做阻 抗匹配用，以改善電壓信號的負載效應。其電路特性歸納如下：
4-5 電晶體之開關作用
在例題 4-8 電路中，隨著輸入端的基極電壓高低（ Hi-Low ）電 位變化，輸出端的集極電壓呈現低高電位（ Low-Hi ）的反相反應
