三極管放大原理，有人講明白了

一往冇前

晶體三極管中有兩種不同的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。

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三極管的原理圖符號主要有兩種，如圖1所示。

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圖1

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Q1為NPN管，Q2為PNP管，E極箭頭方向代表發(fā)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。

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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(qū)域各引出一個電極，我們分別將其稱之為發(fā)射極(Emitter)、集電極(Collector)、基極(Base)；而對應的區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、集電區(qū)、基區(qū)；相鄰的兩個不同類型的雜質半導體將形成PN結，我們把發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結稱之為發(fā)射結，而把基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結稱之為集電結。

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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(tài)：

• 截止：發(fā)射結反偏，集電結反偏。
• 放大：發(fā)射結正偏，集電結反偏。
• 飽和：發(fā)射結正偏，集電結正偏。
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下面我們以NPN三極管為例詳細講解三極管放大狀態(tài)的工作原理。

三極管放大狀態(tài)原理

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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(qū)域內，也上演了一部猛獸爭霸史，故事就發(fā)生在圖3所示的這片區(qū)域。

圖3

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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。

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圖4

要使NPN管處于放大狀態(tài)，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(fā)射極電位Ve為參考電位0V)，這樣一來，三極管的發(fā)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(tài)的基本條件。

在電壓連接的一瞬間，假設基-射(發(fā)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(fā)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。

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圖5

好，一切已經就緒，一場戰(zhàn)爭馬上就要開始了！

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當發(fā)射結外加正向電壓Vbe(正向偏置)時，由于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度很高(三個區(qū)中最高)，而基區(qū)的摻雜濃度最低，發(fā)射區(qū)的多數載流子電子將源源不斷地穿過發(fā)射結擴散到基區(qū)(因濃度差而引起載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的轉移，稱為擴散)，形成發(fā)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(qū)的多數載流子空穴也擴散至發(fā)射區(qū)，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(fā)射極電流Ie，如圖6所示。

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圖6

從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的多數載流子電子在發(fā)射結附近濃度最高，離發(fā)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(qū)的電子繼續(xù)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(qū)的多數載流子空穴復合，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，電子與空穴復合機會少，基區(qū)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。

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圖7

由于集電結是反向偏置電壓，空間電荷區(qū)的內電場被進一步加強(PN結變寬)，這樣反而對基區(qū)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(qū)，剩下的大部分在集電區(qū)，如圖8所示。

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圖8

在多數載流子電子進入到集電區(qū)后，集電區(qū)(N型)的少數載流子空穴與基區(qū)(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(qū)到達發(fā)射區(qū)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(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。

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在三極管的放大狀態(tài)下，只要控制外加發(fā)射結電壓Vbe，基極電流IB也會隨之變化，繼而控制發(fā)射區(qū)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(fā)射結加正向電壓，擴散運動形成發(fā)射極電流Ie。

2）擴散基區(qū)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。

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直流放大特性

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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。

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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。

姆明i

漲知識了

qiedaocai

字太多，眼暈，當時學數電模電就是越學越迷糊