模擬電路之三極管

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??晶體三極管中有兩種不同的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，如下圖所示：

??Q1為NPN管，Q2為PNP管，E極箭頭方向代表發(fā)射結(jié)正向偏置時電流的實(shí)際方向，它們對應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

??由三個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)，從三個雜質(zhì)半導(dǎo)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(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)。

三極管的實(shí)物圖

??三極管在實(shí)際應(yīng)用中可能有三種工作狀態(tài)(即放大、截止、飽和)，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。

(3)飽和區(qū):發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。

三極管工作狀態(tài)

? ? ? ?話說天下大勢，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)，也上演了一部猛獸爭霸史，故事就發(fā)生在如下圖所示的這片區(qū)域。

在沒有任何處理的NPN三極管施加了兩個電壓之后，如下圖所示的：

??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N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體形成了兩個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，此時集電極電流還沒有)，如下圖所示：

??好，一切已經(jīng)就緒，一場戰(zhàn)爭馬上就要開始了！當(dāng)發(fā)射結(jié)外加正向電壓Vbe(正向偏置)時，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(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)動方向相反)。

??與此同時，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 加即為發(fā)射極電流Ie，如下圖所示：

??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)，如下圖所示：

??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”也是一個道理。

? ? ? 1.發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動形成發(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)動系形成了基極電流Ib。3.集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動形成集電極電流Ic。

直流放大特性

??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(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。