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三極管放大原理,有人用三國講明白了!

[導讀]晶體三極管中有兩種不同的極管講明極性電荷的載流子參與導電,故稱之為雙極型晶體管(BJT)。原理有人用國它是極管講明一種電流控制電流的半導體器件,具有電流放大作用,原理有人用國其主要作用是極管講明把微弱輸入信號放大成幅值較大的電信號,是原理有人用國很多常用電子電路的核心元件。

晶體三極管中有兩種不同的極管講明極性電荷的載流子參與導電,故稱之為雙極型晶體管(BJT)。原理有人用國它是極管講明一種電流控制電流的半導體器件,具有電流放大作用,原理有人用國其主要作用是極管講明把微弱輸入信號放大成幅值較大的電信號,是原理有人用國很多常用電子電路的核心元件。

三極管放大原理,有人用三國講明白了!


三極管的極管講明原理圖符號主要有兩種,如圖1所示。原理有人用國


圖1


Q1為NPN管,極管講明Q2為PNP管,E極箭頭方向代表發射結正向偏置時電流的實際方向,它們對應的基本結構如圖2所示。


圖2


由三個相鄰互不相同的雜質半導體疊加起來,就形成了三極管的基本結構。從三個雜質半導體區域各引出一個電極,我們分別將其稱之為發射極(Emitter)、集電極(Collector)、基極(Base);而對應的區域分別稱為發射區、集電區、基區;相鄰的兩個不同類型的雜質半導體將形成PN結,我們把發射區與基區之間的PN結稱之為發射結,而把基區與集電區之間的PN結稱之為集電結。


三極管的實物圖


三極管在實際應用中可能有三種工作狀態:

  • 截止:發射結反偏,集電結反偏。

  • 放大:發射結正偏,集電結反偏。

  • 飽和:發射結正偏,集電結正偏。


下面我們以NPN三極管為例詳細講解三極管放大狀態的工作原理。



三極管放大狀態原理


話說天下大勢,分久必合,合久必分,在這片由三塊半導體組成的小區域內,也上演了一部猛獸爭霸史,故事就發生在圖3所示的這片區域。


圖3


在沒有任何處理的NPN三極管施加了兩個電壓之后,如圖4所示。


圖4


要使NPN管處于放大狀態,施加在CE結兩端的電壓Vce比施加在BE結的電壓Vbe要大。因此,NPN管三個極的電位大小分別是:VC>VB>VE,(發射極電位Ve為參考電位0V),這樣一來,三極管的發射結是正向偏置,而集電結是反向偏置,這就是三極管處于放大狀態的基本條件。


在電壓連接的一瞬間,假設基-射(發射結)偏置電壓Vbe=5V,而集-射極偏置電壓Vce=12V,兩個N型半導體與P型半導體形成了兩個PN結,BE結(發射結)正向電壓偏置而導通將基極電位限制在0.7V(硅管),而集電極電位由于PN結反向偏置截止而為12V(瞬間電位,此時集電極電流還沒有),如圖5所示。


圖5


好,一切已經就緒,一場戰爭馬上就要開始了!


當發射結外加正向電壓Vbe(正向偏置)時,由于發射區的摻雜濃度很高(三個區中最高),而基區的摻雜濃度最低,發射區的多數載流子電子將源源不斷地穿過發射結擴散到基區(因濃度差而引起載流子由高濃度區域向低濃度區域的轉移,稱為擴散),形成發射結電子擴散電流Ien(該電流方向與電子運動方向相反)。


與此同時,基區的多數載流子空穴也擴散至發射區,形成空穴擴散電流Iep(該電流方向與Ien相同),很明顯,Iep相對于Ien而言很小,然而,革命的力量是不分大小的!Ien與Iep兩者相加發射極電流Ie,如圖6所示。


圖6


從發射區擴散到基區的多數載流子電子在發射結附近濃度最高,離發射結越遠濃度越低,從而形成了一定的電子濃度差,這種濃度差使得擴散到基區的電子繼續向集電結方向擴散。在電子擴散的過程中,有一小部分電子與基區的多數載流子空穴復合,從而形成基區電流Ibn。我們知道,基區很薄且摻雜濃度低,因此,電子與空穴復合機會少,基區電流Ibn也很小,大多數電子都將被擴散到集電結,如圖7所示。



圖7


由于集電結是反向偏置電壓,空間電荷區的內電場被進一步加強(PN結變寬),這樣反而對基區擴散到集電結邊境的載流子電子有很強的吸引力(電子帶負電,同性相斥異性相吸),使它們很快漂移過集電結(電場的吸引或排斥作用引起的載流子移動叫做漂移),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,因為百萬大軍一小部分在基區,剩下的大部分在集電區,如圖8所示。


圖8


在多數載流子電子進入到集電區后,集電區(N型)的少數載流子空穴與基區(P型)的少數載流子電子也會產生漂移運動,形成了電流Icbo,而另有一些會跨過基區到達發射區從而形成Iceo,如圖9所示。


圖9


Icbo表示集電極-基極反向飽和電流,Iceo表示集電極-發射極反向飽和電流(也統稱為穿透電流),它們不受發射結電壓Vbe控制,也不對電流的放大做出貢獻,只取決于溫度和少數載流子的濃度,當然是越小越好。在相同條件下,硅管的穿透電流比鍺管小,在某些大功率應用場合,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熱而損壞。


在三極管的放大狀態下,只要控制外加發射結電壓Vbe,基極電流IB也會隨之變化,繼而控制發射區的多數載流電子數量,最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”并不是將基極電流IB放大,只不過是用較小的基極電流IB值來控制較大的集電極電流IC值,從外部電路來看就好像是IB被放大一樣,這與“四兩拔千斤”也是一個道理。


小結

如果上面的過程顯得太麻煩的話,總結就三句話:

1)發射結加正向電壓,擴散運動形成發射極電流Ie。

2)擴散基區的自由電子與空穴的復合運動系形成了基極電流Ib。

3)集電結加反向電壓,漂移運動形成集電極電流Ic。



直流放大特性


就像銘記二極管的單向導電特性一樣,只要談起三極管就要想到“電流放大”。


結論是:三極管是一個具有電流放大功能的器件,三極管b極上的小電流可以控制c極的大電流。


圖10


為了讓這個枯燥的概念形象些, 我們用一幅畫來比喻三極管的電流放大作用,見圖10。


把三極管比作一個水箱, 其排水管由閥門控制,只要微調閥門就能控制排水管的流量。水箱好像三極管的c極,閥門就好像b極,而排水管相當于e極。當三極管b極獲得如圖所示的微小偏置電壓后(+0.7V) ,就好像閥門被打開一樣, 水得以從水箱向下快速流出一電流從c 極流向e極。且三極管b極偏置電壓消失,就好像閥門關上了一樣,c極到e極也就沒有電流了。


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