三極管放大原理 看完秒懂

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晶體三極管中有兩種不同極性電荷的載流子參與導電，故稱之為雙極型晶體管（BJT）。它是一種電流控制電流的半導體器件，具有電流放大作用，其主要作用是把微弱輸入信號放大成幅值較大的電信號，是很多常用電子電路的核心元件。

三極管的原理圖符號主要有兩種，如圖1所示。

Q1為NPN管，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。

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。

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，也上演了一部爭霸史，故事就發生在圖3所示的這片區域。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
總之，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。
 
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。

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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