【技术专辑】PNP晶体管:特性和应用

本文将帮助您了解PNP晶体管是什么,它们是如何使用的,以及为什么它们不如NPN晶体管那么常见。

 

相关信息

 

•双极结晶体管

 

您可能很清楚,现代电气工程,实际上是整个现代世界,与称为晶体管的设备密不可分。这些组件既可用作开/关开关,也可用作放大器。虽然场效应晶体管目前在电子领域占主导地位,但原始晶体管是双极晶体管,很快就会有第一个双极结型晶体管或BJT。

 

BJT有两种基本形式:NPN和PNP。这些字母指的是正掺杂半导体层和负掺杂半导体层的排列,如下图所示:

 

【技术专辑】PNP晶体管:特性和应用

请注意,彩色PNP和NPN图是简化的,不能反映集成电路BJT的实际物理配置。

 

NPN与PNP:为什么PNP晶体管很重要

 

根据我的经验,NPN晶体管比PNP花费更多时间。想到这一点的几个原因:

 

•NPN晶体管的电压和电流特性(至少在我看来)更加直观。

 

•当需要开关或驱动电路时,NPN为数字输出信号(例如微控制器产生的控制信号)提供了更直接的接口。

 

•NPN实际上在重要方面优于PNP。这导致了NPN的一个特别主导的地位,因为BJT必须与MOSFET竞争,并且BJT团队在向比赛发送NPN时更容易获胜。笔者这个2009年加州大学伯克利分校的文件,胡正明,走得更远,他说的,因为这种情况,即较高的NPN性能和MOSFET的-BJT的普遍倾向于认为是“几乎完全是NPN型的。”

 

因此,我们不能否认PNP不太常见,并且通常不太理想 - 但这并不意味着我们应该忽略它们。本文的其余部分将讨论PNP特性和应用程序。

 

电荷载体:电子与空穴

 

如上所示,PNP晶体管的发射极和集电极通过p型掺杂形成。这意味着PNP中的大多数电荷载流子都是空穴。

 

这个事实似乎与实际工程无关,因为只要电路工作,我们真的不关心使用什么类型的电荷载体。但事实证明,我们不能简单地忽略空洞与电子问题,因为空洞比电子“慢”。更具体地,它们具有较低的移动性。

 

如下图所示,电子迁移率总是高于空穴迁移率,尽管掺杂浓度确实会影响两者之间的差异。(请注意,此图专门针对芯片。)

 

【技术专辑】PNP晶体管:特性和应用

 

正如您可能已经猜到的那样,更高的电子迁移率使NPN晶体管具有优于PNP的速度优势。上面引用的加州大学伯克利分校的文件表明,较高的迁移率也会导致较高的跨导,较高的跨导意味着较高的小信号增益。不过,我对此并不确定。据我所知,移动性仅对MOSFET跨导有显着影响,而非BJT跨导。如果我错了,请随时在评论部分告诉我。

 

NPN与PNP IC制造

 

PNP不如NPN受欢迎的另一个原因是,它与许多电气工程师永远不必担心的事情有关:制造集成电路的实际过程。我已经看到各种迹象表明NPN比PNP更容易和/或更便宜,但很难找到关于这个主题的详细(和权威)信息。

 

我确实找到了一个可靠的解释,它与BiCMOS技术有关。我的旧Sedra和Smith教科书(Microelectronic Circuits)表示,“大多数BiCMOS工艺”无法生产优化的PNP晶体管。与BiCMOS合作的IC设计人员显然不得不接受非优化设备 - 或者“彻头彻尾的平庸”将是描述它们的更好方式。该书表明,β大约为10,高频性能低于令人印象深刻; 相比之下,BiCMOS NPN器件的β为50到100,可用于频率高达千兆赫兹的范围。

 

PNP晶体管的实现

 

PNP的基本操作与NPN的基本操作相同,但极性反转的方式有时会导致电路配置笨拙。

 

•电流从发射极流向基极; 发射极必须在基极上方约0.6V,以便正向偏置基极 - 发射极结。

 

•电流流出集电极,集电极电压低于发射极电压。

 

•使用NPN直观且简单的共发射极配置对PNP来说有点奇怪,因为“公共”发射器不是连接到地而是连接到正电源轨。

 

【技术专辑】PNP晶体管:特性和应用

 

PNP晶体管电路的应用

 

我的目标不是列出所有可以使用PNP晶体管的电路。实际上,这是不可能的,因为PNP可以以无数种方式使用,尽管在许多情况下NPN可能更可取。相反,我将重点介绍一些我已经注意到的常见位置的电路或应用,以寻找PNP晶体管。

 

•高端电流镜或有源负载(例如我在文章中使用的  增益裕度和相位裕度)。

 

【技术专辑】PNP晶体管:特性和应用

 

•互补驱动器/放大器配置,例如B类和AB类输出级。

 

【技术专辑】PNP晶体管:特性和应用

 

•低压差稳压器。使用PNP代替NPN作为传输元件可为稳压器提供明显更低的压差,但它也会增加静态电流(有关详细信息,请参阅此应用笔记)。

 

•驱动器应用,其中负载的一侧接地。PNP的发射极连接到驱动电压,负载的另一侧连接到集电极。这种配置称为高侧开关; 这个AAC论坛帖子给你一个例子,可能包括一些有用的讨论。

 

结论

 

我们已经探索了PNP晶体管的定义特性,我们也看到了为什么NPN通常是首选的。如果您有另一个通常使用PNP而不是NPN的电路或应用程序示例,请随意发表评论。

  • 【技术专辑】PNP晶体管:特性和应用已关闭评论
    A+
发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计