三极管原理及应用

三极管原理及应用

半导体从字面上理解为介于导体和绝缘体之间的物质，但是它可以通过人为控制在导体和绝缘体之间变化，如今的大部分电子产品都有半导体的身影。

本征半导体通过掺杂衍生出了P型（空穴多）和N型（自由电子多）半导体，P型半导体中有多余空穴（共价键上空出的位置），N型半导体中有多余自由电子（共价键填满后多出的自由电子）。P型和N型半导体本身并没有电，但当他们相接触时，由于两边的空穴和自由电子有浓度差会产生扩散运动，导致N型半导体中多余的自由电子会扩散到P型半导体的空穴中，使得P区因得到电子而带负电，N区因失去电子而带正电，这样就在PN结产生由N区指向P区的内建电场。随着扩散的进行，内建电场越来越强，而自由电子由于受到内建电场的作用力会产生向N区的漂移运动，最终电子的扩散运动和漂移运动势均力敌达到平衡，通常该内建电场电压约为0.7V。平衡后的PN结如图一所示。

图一

半导体的一个应用就是三极管，它属于电流控制器件，通过控制基极电流达到控制集电极电流的目的。以NPN型三极管为例，它是由两个PN结对向放置构成，如图二所示。

图二

当三个电极都未加电压时，内部两个PN结都处于平衡状态，PN结就相当于一道关闭的门，使得没有电流能够通过；而当在BE间加正向电压时，此时外加的电压会抵消一部分内建电场，使得自由电子向P区的扩散运动得以加强，向N区的漂移运动减弱，这时只有一小部分电流可以流过；当外加电场大于内建电场时，电子不再向N区漂移反而是向P区漂移，这时PN结处于完全打开状态，类似于短路，就可以流过更多的电流，这就是三极管的输入特性，本质上来说它就是二极管特性，如图三所示。

图三

BC之间也有一个PN结，当在BC间也加一个正向电压时，即BE、BC之间的PN结都处于正向偏置，但由于两个PN结是对向布置的，内建电场的方向也是相反的，因此自由电子由发射极穿过BE的PN结到达基区后就穿不过BC的PN结了，导致无法有电流流过CE，此时的工作区域即为饱和区。如果在BC之间加反向电压，那么流经到基区的自由电子紧接着就会在电场的作用下流到集电区（基区掺杂浓度低且很薄，所以没有太多的电子与空穴复合形成基级电流，大部分都被收集到集电区），这个时候就会有电流流过CE之间，基级电流控制着BE间PN 结的开启程度，进而控制着流经CE间的电流，由此得来小电流控制大电流的能力，此区域即为放大区。如果基级电流为零，即BE间的PN结都没有打开，自然就没有电流流过，此区域即为截止区。三极管的输出特性如图四所示。

图四

一个系统中电源是一切的源泉，电源的设计有线性电源和开关电源等，他们当中都有三极管的身影。线性电源中的三极管工作在放大区域，根据输出电压不断调整自身的导通程度，而开关电源中的三极管则工作在饱和和截止区，根据输出电压来开关自己，所以工作在放大区的三极管较工作在饱和和截止区的三极管自身功耗要大，所以线性稳压电源通常用在低压差的情况下，而开关电源则没有这个限制。