三極管的工作原理及基礎知識

1 三極管的結構和分類

其共同特征就是具有三個電極，這就是“三極管”簡稱的來歷。通俗來講，三極管內部為由p型半導體和n型半導體組成的三層結構，根據分層次序分為npn型和pnp型兩大類。

上述三層結構即為三極管的三個區, 中間比較薄的一層為基區，另外兩層同為n型或p型，其中尺寸相對較小、多數載流子濃度相對較高的一層為發射區，另一層則為集電區。三極管的這種內部結構特點，是三極管能夠起放大作用的內部條件。

三個區各自引出三個電極，分別為基極（b） 、發射極（e）和集電極（c）。

如圖b所示，三層結構可以形成兩個pn結，分別稱為發射結和集電結。三極管符號中的箭頭方向就是表示發射結的方向。

三極管內部結構中有兩個具有單向導電性的pn結，因此當然可以用作開關元件，但同時三極管還是一個放大元件，正是它的出現促使了電子技術的飛躍發展。

2 三極管的電流放大作用

直流電壓源vcc應大于vbb，從而使電路滿足放大的外部條件：發射結正向偏置，集電極反向偏置。改變可調電阻rb，基極電流ib，集電極電流ic 和發射極電流ie都會發生變化，由測量結果可以得出以下結論：

（1） ie ＝ ib ＋ ic ( 符合克希荷夫電流定理）

（2） ic ≈ ib ×? （ ?稱為電流放大系數，可表征三極管的電流放大能力）

（3）△ ic ≈ △ ib ×?

由上可見，三極管是一種具有電流放大作用的模擬器件。





3 三極管的放大原理





以下用npn三極管為例說明其內部載流子運動規律和電流放大

原理，

1、發射區向基區擴散電子：由于發射結處于正向偏置，發射區的多數載流子（自由電子）不斷擴散到基區，并不斷從電源補充進電子，形成發射極電流ie。

2、電子在基區擴散和復合：由于基區很薄，其多數載流子（空穴）濃度很低，所以從發射極擴散過來的電子只有很少部分可以和基區空穴復合，形成比較小的基極電流ib，而剩下的絕大部分電子都能擴散到集電結邊緣。

3、集電區收集從發射區擴散過來的電子：由于集電結反向偏置，可將從發射區擴散到基區并到達集電區邊緣的電子拉入集電區，從而形成較大的集電極電流ic。

4 三極管的輸入輸出特性

三極管的輸入特性是指當集-射極電壓uce為常數時，基極電流ib與基-射極電壓ube之間的關系曲線。

對硅管而言，當uce超過1v時，集電結已經達到足夠反偏，可以把從發射區擴散到基區的電子中的絕大部分拉入集電區。如果此時再增大uce ，只要ube保持不變（從發射區發射到基區的電子數就一定）， ib也就基本不變。就是說，當uce超過1v后的輸入特性曲線基本上是重合的。

由圖可見，和二極管的伏安特性一樣，三極管的輸入特性也有一段死區，只有當ube大于死區電壓時，三極管才會出現基極電流ib。通常硅管的死區電壓約為0.5v，鍺管約為0.1v。在正常工作情況下，npn型硅管的發射結電壓ube為0.6～0.7v，pnp型鍺管的發射結電壓ube為-0.2～ -0.3v。

三極管的輸出特性是指當基極電流ib一定時，集電極電流ic與集-射極電壓uce之間的關系曲線。在不同的ib下，可得出不同的曲線，所以三極管的輸出特性是一組曲線。通常把輸出特性曲線分為三個工作區：

1、放大區：輸出特性曲線的近于水平部分是放大區。在放大區, ic ＝ ib ×?,由于在不同ib下電流放大系數近似相等，所以放大區也稱為線性區。三級管要工作在放大區，發射結必須處于正向偏置，集電結則應處于反向偏置，對硅管而言應使ube>0，ubc<0。

2、截止區： ib ＝ 0的曲線以下的區域稱為截止區。實際上，對npn硅管而言，當ube＜0.5v時即已開始截止，但是為了使三極管可靠截止，常使ube≤0v，此時發射結和集電結均處于反向偏置。

3、飽和區：輸出特性曲線的陡直部分是飽和區，此時ib的變化對 ic的影響較小，放大區的?不再適用于飽和區 。在飽和區， uce＜ube，發射結和集電結均處于正向偏置。