单结晶体管

单结晶体管是一种半导体器件，它有一个PN结和三个电极——一个发射极和两个基极，所以又称为双基极二极管。单结晶体管具有一种重要的电气性能——负阻特性，可以利用它组成驰张振荡器、自激谐振荡器、阶梯波发生器以及定时电路等多种脉冲元电路，并使这些电路的结构大为简化。

单结晶体管的结构如图1（a）所示，在一块高电阻率的N型硅片两端，制作两个欧姆接触电极（接触电阻非常小的、纯电阻接触电极），分别叫做第一基极B\(_{1}\)和第二基极B2，硅片的另一侧靠近第二基极B\(_{2}\)处制作了一个PN结，在P型半导体上引出的电极叫做发射极E。为了便于分析单结晶体管的工作特性，通常把两个基极B1\(_{2}\)之间的N型区域等效为一个纯电阻RBB，称为基区电阻，它是单结晶体管的一个重要参数，国产单结晶体管的R\(_{BB}\)在2000～10000欧姆范围内。RBB又可看成是由两个电阻串联组成的，其中R\(_{B1}\)为基极B1与发射极E之间的电阻，R\(_{B2}\)为基极B2与发射极E之间的电阻。在正常工作时， R\(_{B1}\)的阻值是随发射极电流IE而变化的，好象是一个可变电阻。PN结的作用相当于一只二极管D。于是，我们可以画出单结晶体管的等效电路，如图1（b）所示。

国产单结晶体管的型号有BT—31、BT—32、BT—33、BT—35等多种。图2是常用单结晶体管的外形、管脚排列及电路符号图。

单结晶体管的三个电极，可用万用表的欧姆档进行判别。先确定发射极E，因为E对B\(_{1}\)或B2相当于二极管的正向接法，用万用表的正表笔（表内电池的负极）接B\(_{1}\)或B2，负表笔接E，测得的电阻较小（通常为几千欧），把两表笔对调，测得的电阻较大（几十千欧以上）。而B\(_{1}\)2之间相当于一个固定电阻R\(_{BB}\)，正反向测得的数值一样。利用上述测法，可找到发射极E。B1\(_{2}\)的区分，可以用比较E对B1与B\(_{2}\)两基极正向电阻值来识别。因E靠近B2，故测得的正向电阻R\(_{EB2}\)比E对B1的正向电阻R\(_{EB1}\)为小。

在测量中若发现E对B\(_{1}\)（或B2）的正向电阻为无穷大，表明发射极断路；若E对B\(_{1}\)（或B2）的反向电阻很小，表明PN结已击穿，这两种情况都表示单结晶体管已损坏。

为了深入了解单结晶体管的工作特性，我们可以按图3搭接一个实验电路。在B\(_{2}\)与B1间外加固定的正向偏压V\(_{BB}\)，调节Ee使V\(_{E}\)改变，则IE随之变化，根据I\(_{E}\)对VE的依附关系，可以给出单结晶体管的伏安特性曲线，如图4所示（注：为了表达明显，我们将特性曲线画得夸张了）。下面我们就利用等效电路和特性曲线详细分析单结晶体管的工作情况：

1．在基极B\(_{2}\)与B1之间加上一个固定的正向电压V\(_{BB}\)，则VBB将沿硅片从B\(_{2}\)1均匀分布，在R\(_{B1}\)上的分压为

这里η叫分压比，是单结晶体管的一个重要参数，国产单结晶体管的η值在0.3～0.9范围内。当V\(_{E}\)＝0时（即发射极对地短路），则RB1上的电压降V\(_{A}\)对二极管D来说是个反向偏压，使二极管截止，只有微小（1微安以下）的反向电流IE0流过发射极。随着V\(_{E}\)的升高，反向电流逐渐减小，到V=ηVBB时，I\(_{E}\)=0。VE继续增加，则I\(_{E}\)将变为正向，但由于二极管D尚未导通，所以正向漏电流只有几个微安，如特性曲线0′～1的一段，这一段叫截止区。

2．当V\(_{E}\)增加到VP=ηV\(_{BB}\)+VD时（式中V\(_{D}\)为硅PN结的导通电压，常温时约0.7V），二极管导通，发射极电流IE迅速增大。在特性曲线上由截止变为导通的转折点称为峰点，这一点的电压叫峰点电压V\(_{P}\)，相应的发射极电流叫峰点电流IP，一般小于2～4微安，它代表使单结晶体管导通所需的最小电流。

值得注意的是，二极管D导通后，P区的空穴就会源源不断地注入N区，这些空穴被电位较负的基极B\(_{1}\)吸引过去，与外电路流进的电子复合，形成发射极电流IE。由于空穴的注入，使发射极E与基极B\(_{1}\)之间的N型区域内载流子的密度显著增加，导电性能大大增强，相当于电阻RB1变小。结果，V\(_{BB}\)在整个基区的分配情况改变了，VA减小，这就相当于加在PN结上的正向偏压增大，空穴的注入量进一步增多，即I\(_{E}\)进一步增大，又导致RB1进一步减小……这一正反馈的连锁反应，使V\(_{E}\)随IE的增加而减少（限流电阻R上的压降变大），这就是单结晶体管的负阻特性，如特性曲线1～2的一段，这一段称为负阻区。

3.I\(_{E}\)的增加与VE的减小不是没有止境的，当空穴的注入量增大到一定程度时，就会有一部分空穴来不及与基区的电子复合，出现了空穴的多余存储，E与B\(_{1}\)之间的基区将由电中性变为正电性，使空穴的注入遇到新的阻力，相当于RB1变大。这时V\(_{E}\)将随IE的增加而缓慢增加，这一现象称为饱和。由负阻区转化到饱和区的转折点称为谷点。这一点的发射极电压叫谷点电压V\(_{V}\)，相应的发射极电流叫谷点电流IV（一般大于1.5毫安），特性曲线的谷点右边I\(_{E}\)＞IV的区域就是饱和区。显然，谷点电压是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，一旦出现V\(_{E}\)＜VV时，单结晶体管将重新截止。

由上面的实验和分析，我们可以总结出单结晶体管的主要特性：

（1）发射极电压V\(_{E}\)大于峰值电压VP是单结晶体管导通的必要条件。

峰值电压V\(_{P}\)=ηVBB＋0.7V，它不是一个常数，而是取决于单结晶体管的分压比η和外加电压V\(_{BB}\)的大小。VP与V\(_{BB}\)成线性关系，因此具有稳定的触发电压。峰点电流IP很小，因此所需触发电流极小。

（2）谷点电压V\(_{V}\)是维持单结晶体管处于导通状态的最小电压。

不同的单结晶体管谷点电压V\(_{V}\)和谷点电流IV也不相同，V\(_{V}\)一般在2～4伏之间。当VE＜V\(_{V}\)时，单结晶体管就进入截止状态。

（3）单结晶体管是一个负阻器件，对应于每一个电流值，可以有一个确定的电压值，但对应于每一个电压值，则可能有几个不同的电流值。根据管子的这一特点，我们就可在电压维持不变的情况下，使电流产生跃变，即所谓“恒压跳变”。我们称这类负阻器件为电流控制型负阻器件。

图5是最基本的单结晶体管脉冲产生电路。它是由一个单结晶体管和RC充放电回路组成的。R\(_{1}\)是负载电阻，R2是温度补偿电阻。接通电源后，在电容C两端可以获得连续的锯齿波电压，在电阻R两端可以输出正的触发脉冲，图6是输出脉冲的波形。这种脉冲单元电路又叫弛张振荡器。

在图5的电路中，接通电源开关K，则有两路电流流通。电流I\(_{R}\)经电阻R对电容C充电，起始充电电流为Ico=E\(_{BB}\)／R，充电时间常数r=RC，电容C上的电压V\(_{C}\)按指数规律上升。另一路电流IBB从R\(_{2}\)2\(_{1}\)流向R1，其数值为I\(_{BB}\)=EBB／（R\(_{2}\)＋RBB+R\(_{1}\)）。一般只有几毫安。在电容上的电压上升到管子的峰值电压VP以前，单结晶体管截止，在图6的波形图上表现为V\(_{C}\)处于充电过程，R1两端没有脉冲输出。

当V\(_{C}\)上升到等于VP时，管子E－B\(_{1}\)结突然导通，电容C通过E－B1结和R\(_{1}\)回路放电，由于管子导通后RB1急剧减小，R\(_{1}\)又很小（一般只有几十到几百欧姆），所以起始放电电流很大，IE由几微安跃变到几十毫安，使R\(_{1}\)两端的电压VR1产生正跳变。随着电容的放电，V\(_{C}\)按指数规律迅速下降，降到谷点电压VV时，管子又重新截止，放电过程结束，I\(_{E}\)≈0，R1两端的电压出现负跳变完成了一个脉冲过程。

就在放电过程结束的瞬间，电源E\(_{BB}\)又开始向电容C重新充电，开始了第二次充放电过程，产生第二个输出脉冲。这样周而复始地重复振荡，获得图6所示的电容C上电压VC的连续锯齿波和负载电阻R\(_{1}\)上电压VR1的间断尖顶脉冲波。

为了使上述弛张振荡器产生连续振荡，必须保证在电容C的充放电过程中单结晶体管能够可靠地导通和截止。为此，电路应该满足以下两个条件：

如果不满足前一个条件，单结晶体管就不能导通，必须减小R的阻值。如果后一个条件不满足，则管子一经导通就不能截止，根据（1）、（2）两式可以确定R的取值，即

通常R的选择范围是很宽的，大约可以从2千欧改变到2兆欧。

弛张振荡器的振荡周期T决定于整个电容充电和放电过程，可以用下列的近似公式计算

式中“1n”是自然对数，也就是以2.718为底的对数。R\(_{1}\)上输出触发脉冲的幅度为

下面通过几个实际电路介绍单结晶体管在脉冲技术中的应用。

1.可控硅触发电路

在小功率可控硅整流装置中，广泛地采用着单结晶体管触发电路。如图7所示，当电源接通后，R\(_{1}\)两端将输出连续的尖顶脉冲，将尖顶脉冲加在可控硅SCR的控制极和阴极之间，就能使可控硅触发导通。

图8是一个实际的单结晶体管触发电路，交流电压经全波整流、稳压管削波后变为梯形波电压，它既作为单结晶体管的电源电压E\(_{BB}\)，又能实现触发电路与主回路的同步，改变R的阻值可以改变电容C的充电快慢，从而改变可控硅导通角的大小。与电位器串联的1千欧电阻，是为了使电位器调到零时，振荡器仍能维持振荡。

2.单结晶体管时间继电器

图9是一个用单结晶体管组成的时间继电器。当电源开关K闭合后，稳压电源经电阻R对电容C充电，电容C上的电压从零值按指数规律上升，如图10所示，经过一定的时间t\(_{0}\)，则VC=V\(_{P}\)，单结晶体管突然导通，继电器J1吸合。显然，继电器J\(_{1}\)吸合的时刻，比开关K合闸的时刻要延迟一段时间t0。这个延迟时间就是电容器开始充电（V\(_{C}\)=0），到VC上升为V\(_{P}\)所经历的时间。调节电位器W1和W\(_{2}\)，可使延迟时间在几秒钟到十几分钟内变化。对图9所示的电路还有几个问题需要加以说明：

（1）继电器J\(_{1}\)系选用内阻为130欧的干簧继电器。该继电器的触点电流很小，所以不利用它直接控制外接负载，而是将J1的一副触点（J\(_{1—3}\)）通过降压电阻R1接通一个高灵敏继电器J\(_{2}\)（例如JRX－13F型），将J2的触点控制外接负载。

（2）由于电容C的放电时间很短，J\(_{1}\)吸合后很快又会释放，为此将J1的电磁线圈与它的一副触点（J\(_{1—2}\)）和限流电阻串联后接电源进行自锁。

（3）为了使电容C在完成延时任务后，将残存电荷全部释放，以保证下一次工作时，V\(_{C}\)从零电位开始上升，将J1的一副触电（J\(_{1—l}\)）与电阻R2串联后并接在电容两端。

（4）为了提高精度，电路中接入电阻R\(_{3}\)、R4、R\(_{5}\)组成温度补偿网络、以减少温度变化对峰值电压VP的影响。同时，电容C采用漏电较小的钽电解电容器。

3.单稳态触发器

图11是一个由单结晶体管组成的单稳态触发器的实际电路。在输入端未加触发脉冲时，电路处于稳定状态：晶体管BG\(_{2}\)饱和，输出低电平VSC=V\(_{ces}\)≈0伏。通过调整分压电阻R1和R\(_{2}\)，使单结晶体管BG1的发射极电压V\(_{E}\)稍低于峰点电压VP，使单结晶体管截止。电容C被充电，因此右端b相对左端a为负。当一个幅度足够大的负触发脉冲加到BG\(_{1}\)的基极B2时单结晶体管突然导通。电容器的a端接近于地电位。这就使得电容器b端对地为负。于是，晶体管BG\(_{2}\)被反向偏置而截止，输出端由低电平跳变到高电平，即VSC≈+E\(_{C}\)。电路进入暂稳状态。此时，电容C通过电阻R2放电，经过一定的时间，C的放电结束。BG\(_{1}\)重新导通，输出端又由高电平跳变到低电平，电路恢复到稳定状态。（宋东生）