三極管放大原理，有人用三國(guó)講明白了！

時(shí)間：2020-11-20作者：吳江區(qū)芯博源電子商行瀏覽：140

晶體三極管中有兩種不同的極性電荷的載流子參與導(dǎo)電，故稱(chēng)之為雙較型晶體管(BJT)。它是一種電流控制電流的半導(dǎo)體器件，具有電流放大作用，其主要作用是把微弱輸入信號(hào)放大成幅值較大的電信號(hào)，是很多常用電子電路的**元件。




三極管的原理圖符號(hào)主要有兩種，如圖1所示。










Q1為NPN管，Q2為PNP管，E較箭頭方向代表**結(jié)正向偏置時(shí)電流的實(shí)際方向，它們對(duì)應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。







由三個(gè)相鄰互不相同的雜質(zhì)半導(dǎo)體疊加起來(lái)，就形成了三極管的基本結(jié)構(gòu)。從三個(gè)雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域各引出一個(gè)電極，我們分別將其稱(chēng)之為**較(Emitter)、集電極(Collector)、基較(Base)；而對(duì)應(yīng)的區(qū)域分別稱(chēng)為**區(qū)、集電區(qū)、基區(qū)；相鄰的兩個(gè)不同類(lèi)型的雜質(zhì)半導(dǎo)體將形成PN結(jié)，我們把**區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱(chēng)之為**結(jié)，而把基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結(jié)稱(chēng)之為集電結(jié)。




三極管在實(shí)際應(yīng)用中可能有三種工作狀態(tài)：

截止：**結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。

放大：**結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

飽和：**結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。

下面我們以NPN三極管為例詳細(xì)講解三極管放大狀態(tài)的工作原理。




三極管放大狀態(tài)原理

話說(shuō)天下大勢(shì)，分久必合，合久必分，在這片由三塊半導(dǎo)體組成的小區(qū)域內(nèi)，也上演了一部猛獸爭(zhēng)霸史

要使NPN管處于放大狀態(tài)，施加在CE結(jié)兩端的電壓Vce比施加在BE結(jié)的電壓Vbe要大。因此，NPN管三個(gè)較的電位大小分別是：VC>VB>VE，(**較電位Ve為參考電位0V)，這樣一來(lái)，三極管的**結(jié)是正向偏置，而集電結(jié)是反向偏置，這就是三極管處于放大狀態(tài)的基本條件。

在電壓連接的一瞬間，假設(shè)基-射(**結(jié))偏置電壓Vbe=5V，而集-射較偏置電壓Vce=12V，兩個(gè)N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體形成了兩個(gè)PN結(jié)，BE結(jié)(**結(jié))正向電壓偏置而導(dǎo)通將基較電位限制在0.7V(硅管)，而集電極電位由于PN結(jié)反向偏置截止而為12V(瞬間電位，此時(shí)集電極電流還沒(méi)有)，如圖5所示。

當(dāng)**結(jié)外加正向電壓Vbe(正向偏置)時(shí)，由于**區(qū)的摻雜濃度很高(三個(gè)區(qū)中較高)，而基區(qū)的摻雜濃度較低，**區(qū)的多數(shù)載流子電子將源源不斷地穿過(guò)**結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)(因濃度差而引起載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的轉(zhuǎn)移，稱(chēng)為擴(kuò)散)，形成**結(jié)電子擴(kuò)散電流Ien(該電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反)。


與此同時(shí)，基區(qū)的多數(shù)載流子空穴也擴(kuò)散至**區(qū)，形成空穴擴(kuò)散電流Iep(該電流方向與Ien相同)，很明顯，Iep相對(duì)于Ien而言很小，然而，革命的力量是不分大小的！Ien與Iep兩者相加**較電流Ie，如圖6所示。




從**區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的多數(shù)載流子電子在**結(jié)附近濃度較高，離**結(jié)越遠(yuǎn)濃度越低，從而形成了一定的電子濃度差，這種濃度差使得擴(kuò)散到基區(qū)的電子繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散。在電子擴(kuò)散的過(guò)程中，有一小部分電子與基區(qū)的多數(shù)載流子空穴復(fù)合，從而形成基區(qū)電流Ibn。我們知道，基區(qū)很薄且摻雜濃度低，因此，電子與空穴復(fù)合機(jī)會(huì)少，基區(qū)電流Ibn也很小，大多數(shù)電子都將被擴(kuò)散到集電結(jié)，如圖7所示。




由于集電結(jié)是反向偏置電壓，空間電荷區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)被進(jìn)一步加強(qiáng)(PN結(jié)變寬)，這樣反而對(duì)基區(qū)擴(kuò)散到集電結(jié)邊境的載流子電子有很強(qiáng)的吸引力(電子帶負(fù)電，同性相斥異性相吸)，使它們很快漂移過(guò)集電結(jié)(電場(chǎng)的吸引或排斥作用引起的載流子移動(dòng)叫做漂移)，從而形成集電極電流Icn(方向與電子漂移方向相反)。很明顯，Icn=Ien-Ibn，因?yàn)榘偃f(wàn)大軍一小部分在基區(qū)，剩下的大部分在集電區(qū)，如圖8所示。







在多數(shù)載流子電子進(jìn)入到集電區(qū)后，集電區(qū)(N型)的少數(shù)載流子空穴與基區(qū)(P型)的少數(shù)載流子電子也會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，形成了電流Icbo，而另有一些會(huì)跨過(guò)基區(qū)到達(dá)**區(qū)從而形成Iceo，如圖9所示。




Icbo表示集電極-基較反向飽和電流，Iceo表示集電極-**較反向飽和電流(也統(tǒng)稱(chēng)為穿透電流)，它們不受**結(jié)電壓Vbe控制，也不對(duì)電流的放大做出貢獻(xiàn)，只取決于溫度和少數(shù)載流子的濃度，當(dāng)然是越小越好。在相同條件下，硅管的穿透電流比鍺管小，在某些大功率應(yīng)用場(chǎng)合，還必須外接穿透電流釋放電阻，防止穿透電流引起三極管過(guò)熱而損壞。




在三極管的放大狀態(tài)下，只要控制外加**結(jié)電壓Vbe，基較電流IB也會(huì)隨之變化，繼而控制**區(qū)的多數(shù)載流電子數(shù)量，較終也將控制集電極的電流IC。從三極管放大的原理上可以看出，所謂的“放大”并不是將基較電流IB放大，只不過(guò)是用較小的基較電流IB值來(lái)控制較大的集電極電流IC值，從外部電路來(lái)看就好像是IB被放大一樣，這與“四兩拔千斤”也是一個(gè)道理。







如果上面的過(guò)程顯得太麻煩的話，總結(jié)就三句話：


1）**結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成**較電流Ie。

2）擴(kuò)散基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)系形成了基較電流Ib。

3）集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流Ic。




直流放大特性




就像銘記二極管的單向?qū)щ娞匦砸粯?，只要談起三極管就要想到“電流放大”。




結(jié)論是：三極管是一個(gè)具有電流放大功能的器件，三極管b較上的小電流可以控制c較的大電流。




為了讓這個(gè)枯燥的概念形象些， 我們用一幅畫(huà)來(lái)比喻三極管的電流放大作用，見(jiàn)圖10。




把三極管比作一個(gè)水箱， 其排水管由閥門(mén)控制，只要微調(diào)閥門(mén)就能控制排水管的流量。水箱好像三極管的c較，閥門(mén)就好像b較，而排水管相當(dāng)于e較。當(dāng)三極管b較獲得如圖所示的微小偏置電壓后(+0.7V) ，就好像閥門(mén)被打開(kāi)一樣， 水得以從水箱向下快速流出一電流從c 較流向e較。且三極管b較偏置電壓消失，就好像閥門(mén)關(guān)上了一樣，c較到e較也就沒(méi)有電流了。




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