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晶体三极管中有两种不同的极性电荷的载流子参与导电，故称之为双极型晶体管(BJT)。它是一种电流控制电流的半导体器件，具有电流放大作用，其主要作用是把微弱输入信号放大成幅值较大的电信号，是很多常用电子电路的核心元件。 # R1 D0 J, W0 t/ c6 W9 T4 a
三极管的原理图符号主要有两种，如图1所示。  2 y6 r- e/ [. C) i7 G8 g, W. v4 `
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图1
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Q1为NPN管，Q2为PNP管，E极箭头方向代表发射结正向偏置时电流的实际方向，它们对应的基本结构如图2所示。  " C* X1 A. s6 w0 ^
" C5 L2 Z4 v# `1 J/ G% @5 @图2 O9 Y" g7 f& L
由三个相邻互不相同的杂质半导体叠加起来，就形成了三极管的基本结构。从三个杂质半导体区域各引出一个电极，我们分别将其称之为发射极(Emitter)、集电极(Collector)、基极(Base)；而对应的区域分别称为发射区、集电区、基区；相邻的两个不同类型的杂质半导体将形成PN结，我们把发射区与基区之间的PN结称之为发射结，而把基区与集电区之间的PN结称之为集电结。 
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三极管的实物图 & d8 d1 ^) m3 Q4 X7 |9 E
三极管在实际应用中可能有三种工作状态： - 截止：发射结反偏，集电结反偏。
- 放大：发射结正偏，集电结反偏。
- 饱和：发射结正偏，集电结正偏。
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下面我们以NPN三极管为例详细讲解三极管放大状态的工作原理。 ) o5 O' e: t% V* D
三极管放大状态原理
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话说天下大势，分久必合，合久必分，在这片由三块半导体组成的小区域内，也上演了一部猛兽争霸史，故事就发生在图3所示的这片区域。 
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" o6 c4 W6 E3 \; X5 k2 u图3
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在没有任何处理的NPN三极管施加了两个电压之后，如图4所示。  8 V, C1 |" T5 f- ^. [# k& S% [
. K) Y b4 l; u2 Z- V9 V图4
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要使NPN管处于放大状态，施加在CE结两端的电压Vce比施加在BE结的电压Vbe要大。因此，NPN管三个极的电位大小分别是：VC>VB>VE，(发射极电位Ve为参考电位0V)，这样一来，三极管的发射结是正向偏置，而集电结是反向偏置，这就是三极管处于放大状态的基本条件。
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在电压连接的一瞬间，假设基-射(发射结)偏置电压Vbe=5V，而集-射极偏置电压Vce=12V，两个N型半导体与P型半导体形成了两个PN结，BE结(发射结)正向电压偏置而导通将基极电位限制在0.7V(硅管)，而集电极电位由于PN结反向偏置截止而为12V(瞬间电位，此时集电极电流还没有)，如图5所示。 
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图5 % R7 Q. u; w( O! i0 K+ o
好，一切已经就绪，一场战争马上就要开始了！
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当发射结外加正向电压Vbe(正向偏置)时，由于发射区的掺杂浓度很高(三个区中最高)，而基区的掺杂浓度最低，发射区的多数载流子电子将源源不断地穿过发射结扩散到基区(因浓度差而引起载流子由高浓度区域向低浓度区域的转移，称为扩散)，形成发射结电子扩散电流Ien(该电流方向与电子运动方向相反)。 8 `3 }8 F1 _! S+ Y( L) y" X
与此同时，基区的多数载流子空穴也扩散至发射区，形成空穴扩散电流Iep(该电流方向与Ien相同)，很明显，Iep相对于Ien而言很小，然而，革命的力量是不分大小的！Ien与Iep两者相加发射极电流Ie，如图6所示。 
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3 ], d: C- d, J b7 O/ U$ G8 C图6
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从发射区扩散到基区的多数载流子电子在发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越低，从而形成了一定的电子浓度差，这种浓度差使得扩散到基区的电子继续向集电结方向扩散。在电子扩散的过程中，有一小部分电子与基区的多数载流子空穴复合，从而形成基区电流Ibn。我们知道，基区很薄且掺杂浓度低，因此，电子与空穴复合机会少，基区电流Ibn也很小，大多数电子都将被扩散到集电结，如图7所示。  $ [: e) h$ ?: b0 C' t) s# t' i
" N! a% t4 @3 Z7 L图7 8 } @" }/ ]9 `6 t2 B
由于集电结是反向偏置电压，空间电荷区的内电场被进一步加强(PN结变宽)，这样反而对基区扩散到集电结边境的载流子电子有很强的吸引力(电子带负电，同性相斥异性相吸)，使它们很快漂移过集电结(电场的吸引或排斥作用引起的载流子移动叫做漂移)，从而形成集电极电流Icn(方向与电子漂移方向相反)。很明显，Icn=Ien-Ibn，因为百万大军一小部分在基区，剩下的大部分在集电区，如图8所示。  9 g* O' w! b% t& Q- B& l+ B' [5 q! ^# l
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图8
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在多数载流子电子进入到集电区后，集电区(N型)的少数载流子空穴与基区(P型)的少数载流子电子也会产生漂移运动，形成了电流Icbo，而另有一些会跨过基区到达发射区从而形成Iceo，如图9所示。 
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图9 ) x4 \! w( u" M& x
Icbo表示集电极-基极反向饱和电流，Iceo表示集电极-发射极反向饱和电流(也统称为穿透电流)，它们不受发射结电压Vbe控制，也不对电流的放大做出贡献，只取决于温度和少数载流子的浓度，当然是越小越好。在相同条件下，硅管的穿透电流比锗管小，在某些大功率应用场合，还必须外接穿透电流释放电阻，防止穿透电流引起三极管过热而损坏。 5 `0 i s; }2 c( j6 I
在三极管的放大状态下，只要控制外加发射结电压Vbe，基极电流IB也会随之变化，继而控制发射区的多数载流电子数量，最终也将控制集电极的电流IC。从三极管放大的原理上可以看出，所谓的“放大”并不是将基极电流IB放大，只不过是用较小的基极电流IB值来控制较大的集电极电流IC值，从外部电路来看就好像是IB被放大一样，这与“四两拔千斤”也是一个道理。
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小结 如果上面的过程显得太麻烦的话，总结就三句话： 1）发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流Ie。 2）扩散基区的自由电子与空穴的复合运动系形成了基极电流Ib。 3）集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic。 : E% _0 W& t6 ^* f+ f; b9 O
直流放大特性 4 J) l% G1 p. f* ^2 e0 P( \
就像铭记二极管的单向导电特性一样，只要谈起三极管就要想到“电流放大”。 & k" J4 X+ K/ y
结论是：三极管是一个具有电流放大功能的器件，三极管b极上的小电流可以控制c极的大电流。  ) K6 a" J6 X6 H- m, t
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图10 0 k, b, ]' w. [1 m3 A
为了让这个枯燥的概念形象些， 我们用一幅画来比喻三极管的电流放大作用，见图10。
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把三极管比作一个水箱， 其排水管由阀门控制，只要微调阀门就能控制排水管的流量。水箱好像三极管的c极，阀门就好像b极，而排水管相当于e极。当三极管b极获得如图所示的微小偏置电压后(+0.7V) ，就好像阀门被打开一样， 水得以从水箱向下快速流出一电流从c 极流向e极。且三极管b极偏置电压消失，就好像阀门关上了一样，c极到e极也就没有电流了。 | 
发表于 2022-7-27 11:10:05
