三極管的基礎(chǔ)知識(shí)及工作原理

1 三極管的結(jié)構(gòu)和分類

其共同特征就是具有三個(gè)電極，這就是“三極管”簡(jiǎn)稱的來(lái)歷。通俗來(lái)講，三極管內(nèi)部為由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的三層結(jié)構(gòu)，根據(jù)分層次序分為NPN型和PNP型兩大類。

上述三層結(jié)構(gòu)即為三極管的三個(gè)區(qū), 中間比較薄的一層為基區(qū)，另外兩層同為N型或P型，其中尺寸相對(duì)較小、多數(shù)載流子濃度相對(duì)較高的一層為發(fā)射區(qū)，另一層則為集電區(qū)。三極管的這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是三極管能夠起放大作用的內(nèi)部條件。

三個(gè)區(qū)各自引出三個(gè)電極，分別為基極（b） 、發(fā)射極（e）和集電極（c）。

如圖b所示，三層結(jié)構(gòu)可以形成兩個(gè)PN結(jié)，分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。三極管符號(hào)中的箭頭方向就是表示發(fā)射結(jié)的方向。

三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)具有單向?qū)щ娦缘腜N結(jié)，因此當(dāng)然可以用作開關(guān)元件，但同時(shí)三極管還是一個(gè)放大元件，正是它的出現(xiàn)促使了電子技術(shù)的飛躍發(fā)展。

2 三極管的電流放大作用

直流電壓源Vcc應(yīng)大于Vbb，從而使電路滿足放大的外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電極反向偏置。改變可調(diào)電阻Rb，基極電流IB，集電極電流Ic 和發(fā)射極電流IE都會(huì)發(fā)生變化，由測(cè)量結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1） IE ＝ IB ＋ IC ( 符合克希荷夫電流定理）

（2） IC ≈ IB ×? （ ?稱為電流放大系數(shù)，可表征三極管的電流放大能力）

（3）△ IC ≈ △ IB ×?

由上可見，三極管是一種具有電流放大作用的模擬器件。

3 三極管的放大原理

以下用NPN三極管為例說(shuō)明其內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律和電流放大

原理，

1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子：由于發(fā)射結(jié)處于正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充進(jìn)電子，形成發(fā)射極電流IE。

2、電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合：由于基區(qū)很薄，其多數(shù)載流子（空穴）濃度很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子只有很少部分可以和基區(qū)空穴復(fù)合，形成比較小的基極電流IB，而剩下的絕大部分電子都能擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣。

3、集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子：由于集電結(jié)反向偏置，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。

4 三極管的輸入輸出特性

三極管的輸入特性是指當(dāng)集-射極電壓UCE為常數(shù)時(shí)，基極電流IB與基-射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線。

對(duì)硅管而言，當(dāng)UCE超過(guò)1V時(shí)，集電結(jié)已經(jīng)達(dá)到足夠反偏，可以把從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子中的絕大部分拉入集電區(qū)。如果此時(shí)再增大UCE ，只要UBE保持不變（從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)就一定）， IB也就基本不變。就是說(shuō)，當(dāng)UCE超過(guò)1V后的輸入特性曲線基本上是重合的。

由圖可見，和二極管的伏安特性一樣，三極管的輸入特性也有一段死區(qū)，只有當(dāng)UBE大于死區(qū)電壓時(shí)，三極管才會(huì)出現(xiàn)基極電流IB。通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。在正常工作情況下，NPN型硅管的發(fā)射結(jié)電壓UBE為0.6～0.7V，PNP型鍺管的發(fā)射結(jié)電壓UBE為-0.2～ -0.3V。

三極管的輸出特性是指當(dāng)基極電流IB一定時(shí)，集電極電流IC與集-射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以三極管的輸出特性是一組曲線。通常把輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)：

1、放大區(qū)：輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū), IC ＝ IB ×?,由于在不同IB下電流放大系數(shù)近似相等，所以放大區(qū)也稱為線性區(qū)。三級(jí)管要工作在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)必須處于正向偏置，集電結(jié)則應(yīng)處于反向偏置，對(duì)硅管而言應(yīng)使UBE>0，UBC<0。

2、截止區(qū)： IB ＝ 0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。實(shí)際上，對(duì)NPN硅管而言，當(dāng)UBE＜0.5V時(shí)即已開始截止，但是為了使三極管可靠截止，常使UBE≤0V，此時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置。

3、飽和區(qū)：輸出特性曲線的陡直部分是飽和區(qū)，此時(shí)IB的變化對(duì) IC的影響較小，放大區(qū)的?不再適用于飽和區(qū) 。在飽和區(qū)， UCE＜UBE，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。