三极管构造及工作原理

三极管的工作原理

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，和二极管的符号一致。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接面的耗散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况下，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 Erec。

pnp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况下，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况；(c)电子的电位能分布及注入的情况。

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况。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I E=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ I Brec + InB? E (1a)基极电流IB= InB? E + I Brec= I Erec + I Brec (1b)

集电极电流I C =IpE? C= I E - I Erec - I Brec= I E - I B (1c)

式1c也可以写成

I E = I

C

+ I

B

射极注入基极的电洞流大小是由EB接面间的正

向偏压大小来控制，和二极管的情况类似，在启动电压附近，微小的偏压变化，即可造成很大的注入电流变化。更精确的说，三极管是利用V EB（或V BE）的变化来控制IC，而且提供之IB远比IC小。npn三极管的操作原理和pnp 三极管是一样的，只是偏压方向，电流方向均相反，电子和电洞的角色互易。pnp三极管是利用VEB控制由射极经基极、入射到集电极的电洞，而npn三

极管则是利用V BE控制由射极经基极、入射到集电极的电子，图4是二者的比较。经过上面讨论可以看出，三极管的效益可以由在正向活性区时，射极电流中有多少比例可以到达集电极看出，这个比例习惯性定义作希腊字母α

图4 pnp三极管与npn三极管在正向活性区的比较。

而且a一定小于1。效益高的三极管，a可以比0.99大，也就是只有小于1%的射极电流在基极与射极内与基极的主要载体复合，超过99%的射极电流到达集电极了解正向活性区的工作原理后，三极管在其他偏压方式的工作情况就很容易理解了。表1列出三极管四种工作方式的名称及对应之BE和BC之pn接面偏压方式。反向活性区(reverse active)是将原来之集电极用作射极，原来的射极当作集电极，但由于原来集电极之掺杂浓度较基极低，正向偏压时由原基极注入到原集电极之载体远较原集电极注入基极的多，效益很差，也就是说和正向活性区相比，提供相同的基极电流，能够开关控制的集电极电流较少，a较小。在饱和区(saturation)，两个接面都是正向偏压，射极和集电极同时将载体注入基极，基极因此堆积很多少数载体，基极复合电流大增，而且射极和集电极的电流抵销，被控制的电流量减小。在截止区(cut off)，BE和BC接面均不导通，各极间只有很小的反向饱和电流，三

极间可视作开路，也就是开关在关的状态。

表中同时列出了四种工作方式的主要用途。三极管在数字电路中的用途其实就是开关，利用电信号使三极管在正向活性区（或饱和区）与截止区间切换，就开关而言，对应开与关的状态，就数字电路而言则代表0与1（或1与0）两个二进位数字。若三极管一直维持偏压在正向活性区，在射极与基极间微小的电信号（可以是电压或电流）变化，会造成射极与集电极间电流相对上很大的变化，故可用作信号放大器。下面在介绍完三极管的电流电压特性后，会再仔细讨论三极管的用途。

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。