單結晶體管（UJT）

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

單結晶體管（簡稱UJT）是另一種固態三端器件，可用于門脈沖、定時電路和觸發發生器應用，以開關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”，但其開關特性與傳統的雙極型或場效應晶體管非常不同，因為它不能用于放大信號，而是用作開關晶體管。UJT具有單向導電性和負阻抗特性，在擊穿時更像一個可變分壓器。

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

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

發射結沿溝道定位，使其比B1更靠近B2端子。UJT符號中使用了一個箭頭，指向基極，表示發射極端子為正，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效應晶體管（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電阻RB2和RB1串聯組成，中間連接一個等效（理想）二極管D，表示PN結。這個發射極PN結在制造過程中沿歐姆溝道固定，因此無法更改。

電阻RB1位于發射極E和端子B1之間，而電阻RB2位于發射極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UJT（如2N1671、2N2646或2N2647）的靜態電阻通常在4kΩ到10kΩ之間。

這兩個串聯電阻在單結晶體管的兩個基極端子之間形成一個分壓網絡，由于該溝道從B2延伸到B1，當在器件上施加電壓時，沿溝道任何點的電位將與它在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的電阻比稱為本征分壓比，用希臘符號η（eta）表示。大多數常見UJT的典型標準η值范圍為0.5到0.8。

如果現在向發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結將反向偏置，從而提供非常高的阻抗，器件不導通。UJT處于“關閉”狀態，沒有電流流動。

然而，當發射極輸入電壓增加并超過VRB1（或ηVBB + 0.7V，其中0.7V等于PN結二極管壓降）時，PN結變為正向偏置，單結晶體管開始導通。結果是發射極電流ηIE現在從發射極流入基極區域。

額外的發射極電流流入基極的效果是減少了發射結與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發射結變得更加正向偏置，導致更大的電流流動。這種效果導致發射極端子出現負電阻。

同樣，如果施加在發射極和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，并且取決于發射極電流IE的值。然后，相對于B1正向偏置發射結會導致更多電流流動，從而減少發射極E和B1之間的電阻。

換句話說，流入UJT發射極的電流導致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，產生負電阻條件。

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。單結晶體管最常見的應用是作為SCR和Triac的觸發器件，但其他UJT應用包括鋸齒波發生器、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，單結晶體管的發射極端子連接到串聯電阻和電容RC電路的連接點，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，單結晶體管處于“關閉”狀態，電容器C1完全放電，但開始通過電阻R3指數充電。由于UJT的發射極連接到電容器，當電容器上的充電電壓Vc大于二極管壓降值時，PN結表現為正常二極管并變為正向偏置，觸發UJT導通。單結晶體管處于“開啟”狀態。此時，發射極到B1的阻抗崩潰，發射極進入低阻抗飽和狀態，發射極電流通過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，因為電容器通過低電阻UJT放電。

當電容器上的電壓降低到PN結的保持點（VOFF）以下時，UJT“關閉”，沒有電流流入發射結，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。

UJT振蕩器波形

UJT振蕩器波形

然后我們可以看到，單結振蕩器在沒有反饋的情況下不斷“開啟”和“關閉”。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）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時間常數。

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電容器生成定時脈沖，計算產生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），電容器可能無法充分充電以觸發單結晶體管的發射極導通，但也必須足夠大以確保一旦電容器放電到低于較低觸發電壓時，UJT能夠“關閉”。

同樣，如果R3的值太小（幾百歐姆），一旦觸發，流入發射極端子的電流可能足夠大，使器件進入飽和區域，阻止其完全“關閉”。無論哪種情況，單結振蕩器電路都無法振蕩。

UJT速度控制電路

上述單結晶體管電路的一個典型應用是生成一系列脈沖以觸發和控制晶閘管。通過將UJT用作相位控制觸發電路與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，我們可以通過調節流經SCR的電流來控制通用串勵電機（或我們想要的任何類型負載，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，這是通過改變電位器的值來實現的。

單結晶體管總結

我們已經看到，單結晶體管（簡稱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PN結。UJT有三個端子，一個標記為發射極（E），兩個標記為基極（B1和B2）。

兩個歐姆接觸B1和B2分別連接在半導體溝道的兩端，當發射極開路時，B1和B2之間的電阻稱為基極間電阻RBB。如果用歐姆表測量，大多數常見UJT（如2N1671、2N2646或2N2647）的靜態電阻通常在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。大多數常見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觸發器件，可用于各種電路和應用，從觸發晶閘管和Triac到用于相位控制電路的鋸齒波發生器。UJT的負電阻特性也使其非常有用，可以用作簡單的弛豫振蕩器。

當連接為弛豫振蕩器時，它可以在沒有諧振電路或復雜RC反饋網絡的情況下獨立振蕩。當以這種方式連接時，單結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時間的脈沖。

常見的單結晶體管包括2N1671、2N2646、2N2647等，其中2N2646是最流行的UJT，用于脈沖和鋸齒波發生器以及時間延遲電路。其他類型的單結晶體管器件稱為可編程UJT，其開關參數可以通過外部電阻設置。最常見的可編程單結晶體管是2N6027和2N6028。