三极管原理详解

Baekhyn0506 2022-11-10 6272

三极管

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描述

三极管，又叫做双极型三极管，是一种电流控制电流型半导体元器件，目前三极管的主要用途是信号放大，或者作为电子开关使用。

三极管分为NPN和PNP两种类型，示意图如下所示：

NPN

以下都以NPN型三极管为例说明三极管原理。三极管发射区的参杂浓度非常高，有非常多的载流子——自由电子，集电区的参杂浓度低一些，但是面积非常大，基区的厚度非常薄，厚度只有几十微米。

由于电子的扩散运动以及漂移运动，PN结形成内部电场，由于三极管是NPN结构，因此内部有两个PN结，集电区和基区形成集电结，发射区和基区形成发射结，形成两个内部电场，如下图所示：

NPN

对三极管有一些了解的朋友都知道，要想三极管工作在放大区，必须集电结反向偏置，发射结正向偏置，只有这样才能使三极管导通。可能朋友们都有一个疑惑，集电结反向偏置了应该截止，怎么导通了?击穿了?这还要从二极管原理说起，上一篇介绍了二极管原理的文章提到了，当给PN结施加反向偏置电压的时候，内部电场强度增强，空间电荷区变宽，空间电荷区的自由电子被电场加速，穿过PN结形成反向饱和电流。当然这些自由电子属于少子，形成的反向电流也很小。如果人为把自由电子注入空间电荷区，这些电子同样被电场加速形成反向电流。因此只需要控制注入的电子数量就能够实现对电流的控制。

搭建如下电路，使集电结反偏，发射结正偏。反向偏置的集电结在外部电场的帮助下变宽，同时正向偏置的发射结，由于内部电场被削弱，自由电子扩散运动增强，发射区内部的大量自由电子扩散到了基区，被集电结的内部电场捕获，被电场加速送到了集电结，集电区内部的自由电子被反向偏置电压吸出，产生大量空穴，这些空穴收集发射过来的电子，从而形成集电极电流Ic。发射区注入基区的电子只有极少的被基极偏置电压吸出，形成基极电流Ib。Ic=βIb，β叫做放大倍数，这放大倍数是和制作工艺相关的，同一批制作出来的三极管也不一定相同，但是每个三极管的放大倍数可以认为是不会变的，也就是说只要控制了基极电流Ib，就能控制集电极电流Ic。

NPN

下面再来看看如何控制基极电流的：

以下图片是二极管的伏安特性曲线，随着二极管两端的电压增大，流过二极管的电流呈指数增大。发射结也可以等效为一个二极管，伏安特性也符合以下曲线，因此只要控制发射结电压就好了。说到这里有朋友就说发射结电压不是固定的0.7V吗?如何控制?实际上在三极管处于放大状态时发射结电压Ube并不是固定的0.7V，只是变化很小，有时候可以忽略不计。

NPN

下面使用Multisim仿真一下，如下电路：

NPN

当可调电阻R2分别调整为100%和0%时，集电极电压如下，既不是最大值5V也是不是最小值0V，说明R2在调整过程中，三极管始终工作在放大区。

NPN

R2调整到100% 时Ube=650mV，Ib=4.5uA

NPN

R2调整到0% 时Ube=685mV，Ib=14.5uA

NPN

由此可见R2增大时，Ib减小，Ube减小，发射区注入基区的电子减少，进而Ic减小。严格来说三极管也是个压控流半导体器件。

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