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三極管的工作原理


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純大學裡面學的,當時弄明白了,現在看著依然很頭疼。供大家收藏用,看完這一系列的文章,也許你會認真讀一下。

三極管,全稱半導體三極管,也稱雙極型晶體管、晶體三極管,是一種控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號, 也用作無觸點開關。

三極管,是半導體基本元器件之一,具有電流放大作用,是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上製作兩個相距很近的PN結,兩個PN結把整塊半導體分成三部分,中間部分是基區,兩側部分是發射區和集電區,排列方式有PNP和NPN兩種。

發射區和基區之間的PN結叫發射結,集電區和基區之間的PN結叫集電結。基區很薄,而發射區較厚,雜質濃度大,PNP型三極管發射區”發射”的是空穴,其移動方向與電流方向一致,故發射極箭頭向里;NPN型三極管發射區”發射”的是自由電子,其移動方向與電流方向相反,故發射極箭頭向外。發射極箭頭指向也是PN結在正向電壓下的導通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種型別。從三個區引出相應的電極,分別為基極b發射極e和集電極c。

NPN型三極管

在製造三極管時,有意識地使發射區的多數載流子濃度大於基區的,同時基區做得很薄,而且,要嚴格控制雜質含量,這樣,一旦接通電源後,由於發射結正偏,發射區的多數載流子(電子)及基區的多數載流子(空穴)很容易地越過發射結互相向對方擴散,但因前者的濃度基大於後者,所以通過發射結的電流基本上是電子流,這股電子流稱為發射極電流子。

三極管按材料分有兩種:硅管和鍺管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式,但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管,(其中,N表示在高純度硅中加入磷,取代一些硅原子,在電壓刺激下產生自由電子導電,而p是加入硼取代硅,產生大量空穴利於導電);兩者除了電源極性不同外,其工作原理都是相同的,下麵僅介紹NPN硅管的電流放大原理。

對於NPN管,它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成,發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結,而集電區與基區形成的PN結稱為集電結,三條引線分別稱為發射極e (Emitter)、基極b (Base)和集電極c (Collector)。

當b點電位高於e點電位零點幾伏時,發射結處於正偏狀態,而C點電位高於b點電位幾伏時,集電結處於反偏狀態,集電極電源Ec要高於基極電源Eb。

我們把從基極B流至發射極E的電流叫做基極電流Ib;把從集電極C流至發射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發射極的,所以發射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。

三極管是一種控制元件,主要用來控制電流的大小,以共發射極接法為例(信號從基極輸入,從集電極輸出,發射極接地),當基極電壓UB有一個微小的變化時,基極電流IB也會隨之有一小的變化,受基極電流IB的控制,集電極電流IC會有一個很大的變化,基極電流IB越大,集電極電流IC也越大,反之,基極電流越小,集電極電流也越小,即基極電流控制集電極電流的變化。但是集電極電流的變化比基極電流的變化大得多,這就是三極管的放大作用。IC 的變化量與IB變化量之比叫做三極管的放大倍數β(β=ΔIC/ΔIB, Δ表示變化量。),三極管的放大倍數β一般在幾十到幾百倍。

由於基區很薄,加上集電結的反偏,註入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電極電流Ic,只剩下很少(1-10%)的電子在基區的空穴進行複合,被覆合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補給,從而形成了基極電流Ib。根據電流連續性原理得:

Ie=Ib+Ic

這就是說,在基極補充一個很小的Ib,就可以在集電極上得到一個較大的Ic,這就是所謂電流放大作用,Ic與Ib是維持一定的比例關係,即:

β1=Ic/Ib

式中:β1–稱為直流放大倍數,

集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為:

β= △Ic/△Ib

式中β–稱為交流電流放大倍數,由於低頻時β1和β的數值相差不大,所以有時為了方便起見,對兩者不作嚴格區分,β值約為幾十至幾百。

α1=Ic/Ie(Ic與Ie是直流通路中的電流大小)

式中:α1也稱為直流放大倍數,一般在共基極組態放大電路中使用,描述了發射極電流與集電極電流的關係。

α =△Ic/△Ie

運算式中的α為交流共基極電流放大倍數。同理α與α1在小信號輸入時相差也不大。

對於兩個描述電流關係的放大倍數有以下關係β=a/(1-a)。

三極管的放大作用就是:集電極電流受基極電流的控制(假設電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話),並且基極電流很小的變化,會引起集電極電流很大的變化,且變化滿足一定的比例關係:集電極電流的變化量是基極電流變 化量的β倍,即電流變化被放大了β倍,所以我們把β叫做三極管的放大倍數(β一般遠大於1,例如幾十,幾百)。

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