三极管的工作原理

三极管的工作原理

对三极管放大作用的理解，切记一点：能量不会无缘无故的产生，所以，三极管一定不会产生能量。 但三极管厉害的地方在于：它可以通过小电流去控制大电流。放大的原理就在于：通过小的交流输入，控制大的静态直流。 假设三极管是个大坝，这个大坝奇怪的地方是，有两个阀门，一个大阀门，一个小阀门。小阀门可以用人力打开，大阀门很重，人力是打不开的，只能通过小阀门的水力打开。 所以，平常的工作流程便是，每当放水的时候，人们就打开小阀门，很小的水流涓涓流出，这涓涓细流冲击大阀门的开关，大阀门随之打开，汹涌的江水滔滔流下。如果不停地改变小阀门开启的大小，那么大阀门也相应地不停改变，假若能严格地按比例改变，那么，完美的控制就完成了。在这里，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是输入信号。当然，如果把水流比为电流的话，会更确切，因为三极管毕竟是一个电流控制元件。如果某一天，天气很旱，江水没有了，也就是大的水流那边是空的。管理员这时候打开了小阀门，尽管小阀门还是一如既往地冲击大阀门，并使之开启，但因为没有水流的存在，所以，并没有水流出来。这就是三极管中的截止区。饱和区是一样的，因为此时江水达到了很大很大的程度，管理员开的阀门大小已经没用了。如果不开阀门江水就自己冲开了，这就是二极管的击穿。在模拟电路中，一般阀门是半开的，通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。没有信号的时候，水流也会流，所以，不工作的时候，也会有功耗。而在数字电路中，阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候，阀门是完全关闭的，没有功耗。

结构与操作原理

三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有pnp和npn 两种组合。三个接出来的端点依序称为射极（emitter, E）、基极（base, B）和集极（collector, C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体，和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中性的p型区和n型区隔开。

图1 pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。

三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”(forward active)，在此区EB极间的pn接面维持在正向偏压，而BC极间的pn接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。图2(a)为一pnp三极管在此偏压区的示意图。 EB接面的空乏区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，故本身是不导通的。图2(b)画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形下，电洞和电子的电位能的分布图。

三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例,射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时，会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。 IC 的大小和BC间反向偏压的大小关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec，与由基极注入射极的电子流InB? E（这部分是三极管作用不需要的部分）。 InB? E在射极与与电洞复合，即InB? E=I

。pnp

Erec 三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地在图3(a)中看出。

图2 (a)一pnp三极管偏压在正向活性区；(b)没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形下，电洞和电子的电位能的分布图比较。

图3

(a) pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类；

(b)电洞电位能分布及注入的情形；

(c)电子的电位能分布及注入的情形。

一般三极管设计时，射极的掺杂浓度较基极的高许多，如此由射极注入基极 的射极主要载体电洞（也就是基极的少数载体）IpE? B电流会比由基极注入射极 的载体电子电流InB? E大很多，三极管的效益比较高。图3(b)和(c)个别画出电洞 和电子的电位能分布及载体注入的情形。同时如果基极中性区的宽度WB愈窄， 电洞通过基极的时间愈短，被多数载体电子复合的机率愈低，到达集电极的有效电 洞流IpE? C愈大，基极必须提供的复合电子流也降低，三极管的效益也就愈高。 集电极的掺杂通常最低，如此可增大CB极的崩溃电压，并减小BC间反向偏压的 pn接面的反向饱和电流，这里我们忽略这个反向饱和电流。 由图4(a)，我们可以把各种电流的关系写下来： 射极电流 基极电流 集电极电流

三极管的工作原理(2)

三极管截止与饱合状态

截止状态

三极管作为开关使用时，仍是处于下列两种状态下工作。

1.截止(cut off)状态:如图5所示，当三极管之基极不加偏压或加上反向偏压使BE极截止时(BE极之特性和二极管相同，须加上大于0.7V之正向偏压时才态导通)，基极电流IB=0，因为IC=β IB，所以IC=IE=0，此时CE极之间相当于断路，负载无电流。

a)基极(B)不加偏压使

基极电流IB 等于零 (b)基极(B)加上反向偏 压使基极电流IB 等于零 (c)此时集极(C)与射极(E) 之间形同段路，负载无

电流通过

图5 三极管截止状态

饱合状态

饱合(saturation)状态:如图6所示，当三极管之基极加入驶大的电流时，因为IC≒IE=β×IB，射极和集极的电流亦非常大，此时，集极与射极之间的电压降非常低(VCE 为0.4V 以下)，其意义相当于集极与射极之间完全导通，此一状态称为三极管饱合。

图6

(a)基极加上足够的顺向 (b)此时C-E 极间视同偏压使IB 足够大导通状态

晶体管的电路符号和各三个电极的名称如下

图7 PNP 型三极管 图8 NPN 型三极管

三极管的特性曲线