三極管放大原理 看完秒懂
晶體三極管中有兩種不同極性電荷的載流子參與導(dǎo)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(dǎo)體器件，具有電流放大作用，其主要作用是把微弱輸入信號(hào)放大成幅值較大的電信號(hào)，是很多常用電子電路的核心元件。
三極管的原理圖符號(hào)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(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)電流的實(shí)際方向，它們對(duì)應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
由三個(gè)相鄰互不相同的雜質(zhì)半導(dǎo)體疊加起來，就形成了三極管的基本結(jié)構(gòu)。從三個(gè)雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域各引出一個(gè)電極，我們分別將其稱之為發(fā)射極（Emitter）、集電極（Collector）、基極（Base）；而對(duì)應(yīng)的區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、集電區(qū)、基區(qū)；相鄰的兩個(gè)不同類型的雜質(zhì)半導(dǎo)體將形成PN結(jié)，我們把發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱之為發(fā)射結(jié)，而把基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結(jié)稱之為集電結(jié)。
三極管在實(shí)際應(yīng)用中可能有三種工作狀態(tài)：
· 截止：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。
· 放大：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。
· 飽和：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。
下面我們以NPN三極管為例詳細(xì)講解三極管放大狀態(tài)的工作原理。
話說天下大勢(shì)，分久必合，合久必分，在這片由三塊半導(dǎo)體組成的小區(qū)域內(nèi)，也上演了一部爭(zhēng)霸史，故事就發(fā)生在圖3所示的這片區(qū)域。
在沒有任何處理的NPN三極管施加了兩個(gè)電壓之后，如圖4所示。
要使NPN管處于放大狀態(tài)，施加在CE結(jié)兩端的電壓Vce比施加在BE結(jié)的電壓Vbe要大。因此，NPN管三個(gè)極的電位大小分別是：VC>VB>VE，（發(fā)射極電位Ve為參考電位0V），這樣一來，三極管的發(fā)射結(jié)是正向偏置，而集電結(jié)是反向偏置，這就是三極管處于放大狀態(tài)的基本條件。
在電壓連接的一瞬間，假設(shè)基-射（發(fā)射結(jié)）偏置電壓Vbe=5V，而集-射極偏置電壓Vce=12V，兩個(gè)N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體形成了兩個(gè)PN結(jié)，BE結(jié)（發(fā)射結(jié)）正向電壓偏置而導(dǎo)通將基極電位限制在0.7V（硅管），而集電極電位由于PN結(jié)反向偏置截止而為12V（瞬間電位，此時(shí)集電極電流還沒有），如圖5所示。
好，一切已經(jīng)就緒，一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)馬上就要開始了！當(dāng)發(fā)射結(jié)外加正向電壓Vbe（正向偏置）時(shí)，由于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度很高（三個(gè)區(qū)中最高），而基區(qū)的摻雜濃度最低，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子將源源不斷地穿過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)（因濃度差而引起載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的轉(zhuǎn)移，稱為擴(kuò)散），形成發(fā)射結(jié)電子擴(kuò)散電流Ien（該電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反）。
與此同時(shí)，基區(qū)的多數(shù)載流子空穴也擴(kuò)散至發(fā)射區(qū)，形成空穴擴(kuò)散電流Iep（該電流方向與Ien相同），很明顯，Iep相對(duì)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(fā)射極電流Ie，如圖6所示。
從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的多數(shù)載流子電子在發(fā)射結(jié)附近濃度最高，離發(fā)射結(jié)越遠(yuǎn)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(kuò)散到基區(qū)的電子繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散。在電子擴(kuò)散的過程中，有一小部分電子與基區(qū)的多數(shù)載流子空穴復(fù)合，從而形成基區(qū)電流Ibn。我們知道，基區(qū)很薄且摻雜濃度低，因此，電子與空穴復(fù)合機(jī)會(huì)少，基區(qū)電流Ibn也很小，大多數(shù)電子都將被擴(kuò)散到集電結(jié)，如圖7所示。
由于集電結(jié)是反向偏置電壓，空間電荷區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)被進(jìn)一步加強(qiáng)（PN結(jié)變寬），這樣反而對(duì)基區(qū)擴(kuò)散到集電結(jié)邊境的載流子電子有很強(qiáng)的吸引力（電子帶負(fù)電，同性相斥異性相吸），使它們很快漂移過集電結(jié)（電場(chǎng)的吸引或排斥作用引起的載流子移動(dòng)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?yàn)榘偃f大軍一小部分在基區(qū)，剩下的大部分在集電區(qū)，如圖8所示。
在多數(shù)載流子電子進(jìn)入到集電區(qū)后，集電區(qū)（N型）的少數(shù)載流子空穴與基區(qū)（P型）的少數(shù)載流子電子也會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，形成了電流Icbo，而另有一些會(huì)跨過基區(qū)到達(dá)發(fā)射區(qū)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(fā)射極反向飽和電流（也統(tǒng)稱為穿透電流），它們不受發(fā)射結(jié)電壓Vbe控制，也不對(duì)電流的放大做出貢獻(xiàn)，只取決于溫度和少數(shù)載流子的濃度，當(dāng)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(yīng)用場(chǎng)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(tài)下，只要控制外加發(fā)射結(jié)電壓Vbe，基極電流IB也會(huì)隨之變化，繼而控制發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流電子數(shù)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(gè)道理。
總之，如果上面的過程顯得太麻煩的話，總結(jié)就三句話：
1）發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流Ie。2）擴(kuò)散基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)系形成了基極電流Ib。3）集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流Ic。
直流放大特性
就像銘記二極管的單向?qū)щ娞匦砸粯?，只要談起三極管就要想到“電流放大”。
結(jié)論是：三極管是一個(gè)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(gè)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(gè)水箱， 其排水管由閥門控制，只要微調(diào)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(dāng)于e極。當(dāng)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(guān)上了一樣，c極到e極也就沒有電流了。
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