單結晶體管（UJT）

單結晶體管（UJT）是一種三端半導體器件，具有負電阻和開(kāi)關(guān)特性，用于相位控制應用中的弛豫振蕩器。

單結晶體管（簡(jiǎn)稱(chēng)UJT）是另一種固態(tài)三端器件，可用于門(mén)脈沖、定時(shí)電路和觸發(fā)發(fā)生器應用，以開(kāi)關(guān)和控制晶閘管和三端雙向可控硅（Triac），用于交流功率控制類(lèi)型的應用。

與二極管一樣，單結晶體管由P型和N型半導體材料構成，在器件的主要導電N型溝道內形成一個(gè)單一的（因此得名單結）PN結。

盡管單結晶體管的名字中有“晶體管”，但其開(kāi)關(guān)特性與傳統的雙極型或場(chǎng)效應晶體管非常不同，因為它不能用于放大信號，而是用作開(kāi)關(guān)晶體管。UJT具有單向導電性和負阻抗特性，在擊穿時(shí)更像一個(gè)可變分壓器。

與N溝道場(chǎng)效應晶體管（FET）類(lèi)似，UJT由一塊N型半導體材料構成，形成主要載流溝道，其兩個(gè)外部連接標記為基極2（B2）和基極1（B1）。第三個(gè)連接，令人困惑地標記為發(fā)射極（E），位于溝道中。發(fā)射極端子由一個(gè)箭頭表示，從P型發(fā)射極指向N型基極。

單結晶體管的發(fā)射極整流PN結是通過(guò)將P型材料熔入N型硅溝道形成的。然而，帶有N型發(fā)射極的P溝道UJT也是可用的，但很少使用。

發(fā)射結沿溝道定位，使其比B1更靠近B2端子。UJT符號中使用了一個(gè)箭頭，指向基極，表示發(fā)射極端子為正，硅棒為負材料。下圖顯示了UJT的符號、結構和等效電路。

單結晶體管符號和結構

單結晶體管符號

請注意，單結晶體管的符號與結型場(chǎng)效應晶體管（JFET）的符號非常相似，只是它有一個(gè)彎曲的箭頭表示發(fā)射極（E）輸入。盡管它們的歐姆溝道相似，但JFET和UJT的工作方式非常不同，不應混淆。

那么它是如何工作的呢？我們可以從上面的等效電路中看到，N型溝道基本上由兩個(gè)電阻RB2和RB1串聯(lián)組成，中間連接一個(gè)等效（理想）二極管D，表示PN結。這個(gè)發(fā)射極PN結在制造過(guò)程中沿歐姆溝道固定，因此無(wú)法更改。

電阻RB1位于發(fā)射極E和端子B1之間，而電阻RB2位于發(fā)射極E和端子B2之間。由于PN結的物理位置比B1更靠近B2，RB2的電阻值將小于RB1。

硅棒的總電阻（其歐姆電阻）取決于半導體的實(shí)際摻雜水平以及N型硅溝道的物理尺寸，但可以用RBB表示。如果用歐姆表測量，大多數常見(jiàn)UJT（如2N1671、2N2646或2N2647）的靜態(tài)電阻通常在4kΩ到10kΩ之間。

這兩個(gè)串聯(lián)電阻在單結晶體管的兩個(gè)基極端子之間形成一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò )，由于該溝道從B2延伸到B1，當在器件上施加電壓時(shí)，沿溝道任何點(diǎn)的電位將與它在B2和B1端子之間的位置成比例。因此，電壓梯度的水平取決于電源電壓的大小。

在電路中，端子B1接地，發(fā)射極作為器件的輸入。假設在UJT的B2和B1之間施加電壓VBB，使得B2相對于B1為正偏置。當施加零發(fā)射極輸入時(shí)，電阻分壓器RB1（較低電阻）上的電壓可以計算為：

單結晶體管RB1電壓

單結晶體管RB1電壓

對于單結晶體管，RB1與RBB的電阻比稱(chēng)為本征分壓比，用希臘符號η（eta）表示。大多數常見(jiàn)UJT的典型標準η值范圍為0.5到0.8。

如果現在向發(fā)射極輸入端子施加一個(gè)小于電阻RB1（ηVBB）上電壓的小正輸入電壓，二極管PN結將反向偏置，從而提供非常高的阻抗，器件不導通。UJT處于“關(guān)閉”狀態(tài)，沒(méi)有電流流動(dòng)。

然而，當發(fā)射極輸入電壓增加并超過(guò)VRB1（或ηVBB + 0.7V，其中0.7V等于PN結二極管壓降）時(shí)，PN結變?yōu)檎蚱?，單結晶體管開(kāi)始導通。結果是發(fā)射極電流ηIE現在從發(fā)射極流入基極區域。

額外的發(fā)射極電流流入基極的效果是減少了發(fā)射結與B1端子之間的溝道電阻部分。RB1電阻值降低到非常低的值意味著(zhù)發(fā)射結變得更加正向偏置，導致更大的電流流動(dòng)。這種效果導致發(fā)射極端子出現負電阻。

同樣，如果施加在發(fā)射極和B1端子之間的輸入電壓降低到擊穿值以下，RB1的電阻值將增加到高值。因此，單結晶體管可以被視為一種電壓擊穿器件。

因此，我們可以看到RB1呈現的電阻是可變的，并且取決于發(fā)射極電流IE的值。然后，相對于B1正向偏置發(fā)射結會(huì )導致更多電流流動(dòng)，從而減少發(fā)射極E和B1之間的電阻。

換句話(huà)說(shuō)，流入UJT發(fā)射極的電流導致RB1的電阻值降低，其上的電壓降VRB1也必須降低，允許更多電流流動(dòng)，產(chǎn)生負電阻條件。

單結晶體管應用

現在我們知道單結晶體管是如何工作的，它們可以用于什么。單結晶體管最常見(jiàn)的應用是作為SCR和Triac的觸發(fā)器件，但其他UJT應用包括鋸齒波發(fā)生器、簡(jiǎn)單振蕩器、相位控制和定時(shí)電路。所有UJT電路中最簡(jiǎn)單的是產(chǎn)生非正弦波形的弛豫振蕩器。

在基本和典型的UJT弛豫振蕩器電路中，單結晶體管的發(fā)射極端子連接到串聯(lián)電阻和電容RC電路的連接點(diǎn)，如下所示。

單結晶體管弛豫振蕩器

UJT弛豫振蕩器

當首次施加電壓（Vs）時(shí)，單結晶體管處于“關(guān)閉”狀態(tài)，電容器C1完全放電，但開(kāi)始通過(guò)電阻R3指數充電。由于UJT的發(fā)射極連接到電容器，當電容器上的充電電壓Vc大于二極管壓降值時(shí)，PN結表現為正常二極管并變?yōu)檎蚱?，觸發(fā)UJT導通。單結晶體管處于“開(kāi)啟”狀態(tài)。此時(shí)，發(fā)射極到B1的阻抗崩潰，發(fā)射極進(jìn)入低阻抗飽和狀態(tài)，發(fā)射極電流通過(guò)R1流動(dòng)。

由于電阻R1的歐姆值非常低，電容器通過(guò)UJT迅速放電，R1上出現快速上升的電壓脈沖。此外，由于電容器通過(guò)UJT放電的速度比通過(guò)電阻R3充電的速度快，放電時(shí)間比充電時(shí)間短得多，因為電容器通過(guò)低電阻UJT放電。

當電容器上的電壓降低到PN結的保持點(diǎn)（VOFF）以下時(shí)，UJT“關(guān)閉”，沒(méi)有電流流入發(fā)射結，因此電容器再次通過(guò)電阻R3充電，只要施加電源電壓Vs，VON和VOFF之間的充電和放電過(guò)程就會(huì )不斷重復。

UJT振蕩器波形

UJT振蕩器波形

然后我們可以看到，單結振蕩器在沒(méi)有反饋的情況下不斷“開(kāi)啟”和“關(guān)閉”。振蕩器的工作頻率直接受充電電阻R3的值（與電容器C1串聯(lián)）和η值的影響。從基極1（B1）端子生成的輸出脈沖形狀是鋸齒波形，要調節時(shí)間周期，只需改變電阻R3的歐姆值，因為它設置了充電電容器的RC時(shí)間常數。

鋸齒波形的時(shí)間周期T將給出為電容器的充電時(shí)間加上放電時(shí)間。由于放電時(shí)間τ1通常比較大的RC充電時(shí)間τ2短得多，振蕩的時(shí)間周期大致等于T ? τ2。因此，振蕩頻率由? = 1/T給出。

UJT振蕩器示例No1

2N2646單結晶體管的數據表給出的本征分壓比η為0.65。如果使用100nF電容器生成定時(shí)脈沖，計算產(chǎn)生100Hz振蕩頻率所需的定時(shí)電阻。

1. 定時(shí)周期給出為：

UJT振蕩器周期

2. 定時(shí)電阻R3的值計算為：

UJT定時(shí)電阻

然后，在這個(gè)簡(jiǎn)單示例中，所需的充電電阻值計算為最接近的優(yōu)選值95.3kΩ。然而，UJT弛豫振蕩器要正確工作，需要滿(mǎn)足某些條件，因為R3的電阻值可能太大或太小。

例如，如果R3的值太大（兆歐級），電容器可能無(wú)法充分充電以觸發(fā)單結晶體管的發(fā)射極導通，但也必須足夠大以確保一旦電容器放電到低于較低觸發(fā)電壓時(shí)，UJT能夠“關(guān)閉”。

同樣，如果R3的值太?。◣装贇W姆），一旦觸發(fā)，流入發(fā)射極端子的電流可能足夠大，使器件進(jìn)入飽和區域，阻止其完全“關(guān)閉”。無(wú)論哪種情況，單結振蕩器電路都無(wú)法振蕩。

UJT速度控制電路

上述單結晶體管電路的一個(gè)典型應用是生成一系列脈沖以觸發(fā)和控制晶閘管。通過(guò)將UJT用作相位控制觸發(fā)電路與SCR或Triac結合，我們可以調節通用交流或直流電機的速度，如圖所示。

單結晶體管速度控制

UJT速度控制

使用上述電路，我們可以通過(guò)調節流經(jīng)SCR的電流來(lái)控制通用串勵電機（或我們想要的任何類(lèi)型負載，如加熱器、燈等）的速度。要控制電機的速度，只需改變鋸齒脈沖的頻率，這是通過(guò)改變電位器的值來(lái)實(shí)現的。

單結晶體管總結

我們已經(jīng)看到，單結晶體管（簡(jiǎn)稱(chēng)UJT）是一種電子半導體器件，在N型（或P型）輕摻雜歐姆溝道內只有一個(gè)PN結。UJT有三個(gè)端子，一個(gè)標記為發(fā)射極（E），兩個(gè)標記為基極（B1和B2）。

兩個(gè)歐姆接觸B1和B2分別連接在半導體溝道的兩端，當發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，B1和B2之間的電阻稱(chēng)為基極間電阻RBB。如果用歐姆表測量，大多數常見(jiàn)UJT（如2N1671、2N2646或2N2647）的靜態(tài)電阻通常在4kΩ到10kΩ之間。

RB1與RBB的比值稱(chēng)為本征分壓比，用希臘符號η（eta）表示。大多數常見(jiàn)UJT的典型標準η值范圍為0.5到0.8。

單結晶體管是一種固態(tài)觸發(fā)器件，可用于各種電路和應用，從觸發(fā)晶閘管和Triac到用于相位控制電路的鋸齒波發(fā)生器。UJT的負電阻特性也使其非常有用，可以用作簡(jiǎn)單的弛豫振蕩器。

當連接為弛豫振蕩器時(shí)，它可以在沒(méi)有諧振電路或復雜RC反饋網(wǎng)絡(luò )的情況下獨立振蕩。當以這種方式連接時(shí)，單結晶體管能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地改變單個(gè)電容器（C）或電阻（R）的值來(lái)生成一系列不同持續時(shí)間的脈沖。

常見(jiàn)的單結晶體管包括2N1671、2N2646、2N2647等，其中2N2646是最流行的UJT，用于脈沖和鋸齒波發(fā)生器以及時(shí)間延遲電路。其他類(lèi)型的單結晶體管器件稱(chēng)為可編程UJT，其開(kāi)關(guān)參數可以通過(guò)外部電阻設置。最常見(jiàn)的可編程單結晶體管是2N6027和2N6028。