單結(jié)晶體管（UJT）

單結(jié)晶體管（UJT）是一種三端半導(dǎo)體器件，具有負(fù)電阻和開關(guān)特性，用于相位控制應(yīng)用中的弛豫振蕩器。

單結(jié)晶體管（簡稱UJT）是另一種固態(tài)三端器件，可用于門脈沖、定時電路和觸發(fā)發(fā)生器應(yīng)用，以開關(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型的應(yīng)用。

與二極管一樣，單結(jié)晶體管由P型和N型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，在器件的主要導(dǎo)電N型溝道內(nèi)形成一個單一的（因此得名單結(jié)）PN結(jié)。

盡管單結(jié)晶體管的名字中有“晶體管”，但其開關(guān)特性與傳統(tǒng)的雙極型或場效應(yīng)晶體管非常不同，因?yàn)樗荒苡糜诜糯笮盘枺怯米鏖_關(guān)晶體管。UJT具有單向?qū)щ娦院拓?fù)阻抗特性，在擊穿時更像一個可變分壓器。

與N溝道場效應(yīng)晶體管（FET）類似，UJT由一塊N型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，形成主要載流溝道，其兩個外部連接標(biāo)記為基極2（B2）和基極1（B1）。第三個連接，令人困惑地標(biāo)記為發(fā)射極（E），位于溝道中。發(fā)射極端子由一個箭頭表示，從P型發(fā)射極指向N型基極。

單結(jié)晶體管的發(fā)射極整流PN結(jié)是通過將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(jié)沿溝道定位，使其比B1更靠近B2端子。UJT符號中使用了一個箭頭，指向基極，表示發(fā)射極端子為正，硅棒為負(fù)材料。下圖顯示了UJT的符號、結(jié)構(gòu)和等效電路。

單結(jié)晶體管符號和結(jié)構(gòu)

單結(jié)晶體管符號

請注意，單結(jié)晶體管的符號與結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）的符號非常相似，只是它有一個彎曲的箭頭表示發(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(yīng)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電阻RB2和RB1串聯(lián)組成，中間連接一個等效（理想）二極管D，表示PN結(jié)。這個發(fā)射極PN結(jié)在制造過程中沿歐姆溝道固定，因此無法更改。

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(jié)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(dǎo)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(shù)常見UJT（如2N1671、2N2646或2N2647）的靜態(tài)電阻通常在4kΩ到10kΩ之間。

這兩個串聯(lián)電阻在單結(jié)晶體管的兩個基極端子之間形成一個分壓網(wǎng)絡(luò)，由于該溝道從B2延伸到B1，當(dāng)在器件上施加電壓時，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(shè)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(dāng)施加零發(fā)射極輸入時，電阻分壓器RB1（較低電阻）上的電壓可以計算為：

單結(jié)晶體管RB1電壓

單結(jié)晶體管RB1電壓

對于單結(jié)晶體管，RB1與RBB的電阻比稱為本征分壓比，用希臘符號η（eta）表示。大多數(shù)常見UJT的典型標(biāo)準(zhǔn)η值范圍為0.5到0.8。

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

然而，當(dāng)發(fā)射極輸入電壓增加并超過VRB1（或ηVBB + 0.7V，其中0.7V等于PN結(jié)二極管壓降）時，PN結(jié)變?yōu)檎蚱?，單結(jié)晶體管開始導(dǎo)通。結(jié)果是發(fā)射極電流ηIE現(xiàn)在從發(fā)射極流入基極區(qū)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(jié)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發(fā)射結(jié)變得更加正向偏置，導(dǎo)致更大的電流流動。這種效果導(dǎo)致發(fā)射極端子出現(xiàn)負(fù)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(jié)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(xiàn)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(jié)會導(dǎo)致更多電流流動，從而減少發(fā)射極E和B1之間的電阻。

換句話說，流入UJT發(fā)射極的電流導(dǎo)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，產(chǎn)生負(fù)電阻條件。

單結(jié)晶體管應(yīng)用

現(xiàn)在我們知道單結(jié)晶體管是如何工作的，它們可以用于什么。單結(jié)晶體管最常見的應(yīng)用是作為SCR和Triac的觸發(fā)器件，但其他UJT應(yīng)用包括鋸齒波發(fā)生器、簡單振蕩器、相位控制和定時電路。所有UJT電路中最簡單的是產(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(jié)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(jié)晶體管弛豫振蕩器

UJT弛豫振蕩器

當(dāng)首次施加電壓（Vs）時，單結(jié)晶體管處于“關(guān)閉”狀態(tài)，電容器C1完全放電，但開始通過電阻R3指數(shù)充電。由于UJT的發(fā)射極連接到電容器，當(dāng)電容器上的充電電壓Vc大于二極管壓降值時，PN結(jié)表現(xiàn)為正常二極管并變?yōu)檎蚱茫|發(fā)UJT導(dǎo)通。單結(jié)晶體管處于“開啟”狀態(tài)。此時，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R1流動。

由于電阻R1的歐姆值非常低，電容器通過UJT迅速放電，R1上出現(xiàn)快速上升的電壓脈沖。此外，由于電容器通過UJT放電的速度比通過電阻R3充電的速度快，放電時間比充電時間短得多，因?yàn)殡娙萜魍ㄟ^低電阻UJT放電。

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

UJT振蕩器波形

UJT振蕩器波形

然后我們可以看到，單結(jié)振蕩器在沒有反饋的情況下不斷“開啟”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(diào)節(jié)時間周期，只需改變電阻R3的歐姆值，因?yàn)樗O(shè)置了充電電容器的RC時間常數(shù)。

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

UJT振蕩器示例No1

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

1. 定時周期給出為：

UJT振蕩器周期

2. 定時電阻R3的值計算為：

UJT定時電阻

然后，在這個簡單示例中，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，需要滿足某些條件，因?yàn)镽3的電阻值可能太大或太小。

例如，如果R3的值太大（兆歐級），電容器可能無法充分充電以觸發(fā)單結(jié)晶體管的發(fā)射極導(dǎo)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，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(qū)域，阻止其完全“關(guān)閉”。無論哪種情況，單結(jié)振蕩器電路都無法振蕩。

UJT速度控制電路

上述單結(jié)晶體管電路的一個典型應(yīng)用是生成一系列脈沖以觸發(fā)和控制晶閘管。通過將UJT用作相位控制觸發(fā)電路與SCR或Triac結(jié)合，我們可以調(diào)節(jié)通用交流或直流電機(jī)的速度，如圖所示。

單結(jié)晶體管速度控制

UJT速度控制

使用上述電路，我們可以通過調(diào)節(jié)流經(jīng)SCR的電流來控制通用串勵電機(jī)（或我們想要的任何類型負(fù)載，如加熱器、燈等）的速度。要控制電機(jī)的速度，只需改變鋸齒脈沖的頻率，這是通過改變電位器的值來實(shí)現(xiàn)的。

單結(jié)晶體管總結(jié)

我們已經(jīng)看到，單結(jié)晶體管（簡稱UJT）是一種電子半導(dǎo)體器件，在N型（或P型）輕摻雜歐姆溝道內(nèi)只有一個PN結(jié)。UJT有三個端子，一個標(biāo)記為發(fā)射極（E），兩個標(biāo)記為基極（B1和B2）。

兩個歐姆接觸B1和B2分別連接在半導(dǎo)體溝道的兩端，當(dāng)發(fā)射極開路時，B1和B2之間的電阻稱為基極間電阻RBB。如果用歐姆表測量，大多數(shù)常見UJT（如2N1671、2N2646或2N2647）的靜態(tài)電阻通常在4kΩ到10kΩ之間。

RB1與RBB的比值稱為本征分壓比，用希臘符號η（eta）表示。大多數(shù)常見UJT的典型標(biāo)準(zhǔn)η值范圍為0.5到0.8。

單結(jié)晶體管是一種固態(tài)觸發(fā)器件，可用于各種電路和應(yīng)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(fù)電阻特性也使其非常有用，可以用作簡單的弛豫振蕩器。

當(dāng)連接為弛豫振蕩器時，它可以在沒有諧振電路或復(fù)雜RC反饋網(wǎng)絡(luò)的情況下獨(dú)立振蕩。當(dāng)以這種方式連接時，單結(jié)晶體管能夠通過簡單地改變單個電容器（C）或電阻（R）的值來生成一系列不同持續(xù)時間的脈沖。

常見的單結(jié)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)生器以及時間延遲電路。其他類型的單結(jié)晶體管器件稱為可編程UJT，其開關(guān)參數(shù)可以通過外部電阻設(shè)置。最常見的可編程單結(jié)晶體管是2N6027和2N6028。