三极管内部工作原理

　　三极管的工作原理：三极管，全称为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件，其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。三极管具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。

　　三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，有pnp和npn两种组合。三个接出来的端点依序称为射极(emitter, E)、基极(base, B)和集极(collector,C)，名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中性的p型区和n型区隔开。

　　下图为一pnp三极管在此偏压区的示意图。EB接面的空乏区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极;而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，故本身是不导通的。没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形下，电洞和电子的电位能的分布图（见下图）。

　　三极管和两个反向相接的pn二极管最大的不同部分就在于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例，射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时，会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。

三极管的工作原理
它的作用是可以用小电流控制大电流——电流放大作用
1、N型半导体：又称为电子型半导体。在纯净的硅晶体中通过特殊工艺掺入少量的五价元素（如磷、砷、锑等）而形成，其内部自由电子浓度远大于空穴浓度。所以，N半导体内部形成带负电的多数载流子——自由电子，而少数载流子是空穴。N型半导体主要靠自由电子导电。由于自由电子主要由所掺入的杂质提供，所以掺入的五价杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能就越强。而空穴由热激发形成，环境温度越高，热激发越剧烈。
2、P型半导体：又称为空穴型半导体。在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）而形成，其内部空穴浓度远大于自由电子浓度，所以，P型半导体内部形成带正电的多数载流子——空穴，而少数载流子是自由电子。P型半导体主要靠空穴导电。由于空穴主要由所掺入杂质原子提供，掺入三价的杂质越多，空穴的浓度就越高，导电性能就越强。而自由电子是由热激发形成，环境温度越高，热激发越激烈。
3、PN结及特性：P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有内建一个由N区指向P区的内电场。由于内电场是由多子建成，所以达到平衡后，内建电场将阻挡多数载流子的扩散，但不能阻止少数载流子。P区和N区的少数载流子一旦接近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方。
PN结的单向导电性 外加正向电压（正偏）：在外电场作用下，多子将向PN结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。结果，P区的多子空穴将源源不断的流向N区，而N区的多子自由电子亦不断流向P区，这两股载流子的流动就形成了PN结的正向电流。
外加反向电压（反偏）：在外电场作用下，多子将背离PN结移动，结果使空间电荷区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散，漂移运动起主要作用。漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。因少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流。
4、扩散和漂移：多数载流子移动时扩散，少数载流子移动时漂移。
5、复合：电子和空穴相遇就会复合，大量的电子-空穴对复合就形成电流。6、空间电荷区：也称耗尽层。在PN结中，由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运动，使PN结中间的部位(P区和N区交界面)产生一个很薄的电荷区，它就是空间电荷区。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。P区一侧呈现负电荷，N区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的内电场。内电场将阻碍多子的扩散，而少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方。PN结正偏时，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。PN结反偏时，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。
7、内电场：PN结附近空间电荷区中，方向由N区指向P区的内电场。内电场对多数载流子起隔离作用，而对少数载流子起导通作用。
8、载流子：可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。
9、少数载流子：P型半导体地少数载流子是自由电子，N型半导体中是空穴。
10、二极管：单向导电性。正偏多数载流子可以通过，反偏少数载流子可以通过。反偏时P型半导体和N型半导体不能提供源源不断的少数载流子，所以反偏近似无电流。
二、三极管的工艺要求及作用
1、发射区掺杂浓度高：确保发射区中有足够多的多数载流子——电子，当基极电压高于发射极的时候，才有足够多的电子扩散到基极。
2、基区做得非常薄：可以更好的让基极（P型半导体）中的少数载流子——电子漂移到集电极。 三、工作条件 1、集电极电压（Vc）大于基极电压（Vb），基极电压（Vb）稍高于发射极电压（Ve）。即：Vc>Vb>Ve，其中Vb一般高于Ve为0.7V；Vc常见电压比Ve高12V。这样就使得集电结反偏，发射结正偏。

2、如要取得输出必须加负载电阻。 四、三极管的工作原理 图解如右：
五、关于三极管的问题 1、集电极（C极）处于反偏状态，为什么还有电流通过？ 答：PN结正偏情况下是利于“多数载流子”通过，而反偏则利于“少数载流子”通过，对于基极（B极）来说，它的少数载流子是电子，而当基极电压高于发射极，有电流注入时，发射结正偏导通，发射区向基区扩散大量电子。这些电子在内电场的作用下漂移到C极。从三极管外部看来，电流能通过反偏的集电结，其实，要分清楚“多子”、“少子”的区别。P型半导体的多子是空穴，少子是自由电子；N型半导体的多子是自由电子，少子是空穴。
2、为什么集电极要加上很高的电压？ 答：电压高能使集电结的内电场更强，作用在少子上的力
更大，有利于少子、尤其是从基区漂移到发射区的电子；同时阻止多子的通过。
3、为什么基区要做得很薄？
答：因为少子越贴近内电场，就越容易受其作用漂移到PN结对面。如果做得太厚，那进入基区的电子就不能很好地受内电场的作用，不能很好地漂移到集电区，所以要从生产工艺上把它做得很薄，厚度一般在几个微米至几十个微米。
4、为什么发射区的掺杂浓度最高？
答：发射区掺杂浓度高才有更多的多数载流子，P型半导体中的多子是空穴，而NPN型半导体的发射区是N型半导体，掺杂浓度高使其有更多的自由电子，这样在基极和发射极的电压差（基极高于发射极）作用下，才有更多电子扩散到基区。假设发射区的掺杂浓度和基区浓度相同，那么扩散到基区的电子绝大多数会跟基区的空穴进行复合掉，电流的放大能力下降。
5、放大倍数β如何确定？
答：在生产过程中，控制基区的厚度和各个区的掺杂浓度，就能生产出不同放大倍数β的三极管。 6、基极（B极）小电流如何控制集电极大电流？
答：当基极没有电流的时候，集电结几乎没有电子通过；基极电流慢慢增大时，集电结在正偏电压作用下，多子逐渐激烈地向基区扩散。由于基区掺杂浓度低，扩散到集电区的多子少，需要外部注入的电流小。发射区掺杂浓度高，扩散到基区的多子多，需要外部注入的电流大。放大倍数跟基区厚度、发射区掺杂浓度成正比。发射极跟基极复合的电子非常少，主要被集电结的内电场拉到集电区，集电极电流近似于发射极电流。外部注入基极电流越大，发射区到基区的电子扩散就越激烈，漂移到集电区的电子也越多。在三极管的外部看来，发射极电流和集电极电流也急剧增大。
7、用两个二极管可否焊接成一个三极管？
答：虽然两个二极管能结成一个NPN或PNP型的三极管，但其内部硅晶体的掺杂浓度不同于三极管，再者“基极”没能做得很薄，漂移过“集电结”的少子相当少（不是没有），因此发射极中的载流子几乎不能到达集电结。

三极管的结构和分类

其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。通俗来讲，三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。

上述三层结构即为三极管的三个区, 中间比较薄的一层为基区，另外两层同为N型或P型，其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区，另一层则为集电区。三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起放大作用的内部条件。

三个区各自引出三个电极，分别为基极（b） 、发射极（e）和集电极（c）。

如图b所示，三层结构可以形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。三极管符号中的箭头方向就是表示发射结的方向。

三极管内部结构中有两个具有单向导电性的PN结，因此当然可以用作开关元件，但同时三极管还是一个放大元件，正是它的出现促使了电子技术的飞跃发展。

2 三极管的电流放大作用

直流电压源Vcc应大于Vbb，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻Rb，基极电流IB，集电极电流Ic 和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可以得出以下结论：

（1） IE ＝ IB ＋ IC ( 符合克希荷夫电流定理）

（2） IC ≈ IB ×? （ ?称为电流放大系数，可表征三极管的电流放大能力）

（3）△ IC ≈ △ IB ×?

由上可见，三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。

3 三极管的放大原理

以下用NPN三极管为例说明其内部载流子运动规律和电流放大

原理，

1、发射区向基区扩散电子：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。

2、电子在基区扩散和复合：由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流IB，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。

3、集电区收集从发射区扩散过来的电子：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。

4 三极管的输入输出特性

三极管的输入特性是指当集-射极电压UCE为常数时，基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。

对硅管而言，当UCE超过1V时，集电结已经达到足够反偏，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。如果此时再增大UCE ，只要UBE保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定）， IB也就基本不变。就是说，当UCE超过1V后的输入特性曲线基本上是重合的。

由图可见，和二极管的伏安特性一样，三极管的输入特性也有一段死区，只有当UBE大于死区电压时，三极管才会出现基极电流IB。通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压UBE为0.6～0.7V，PNP型锗管的发射结电压UBE为-0.2～ -0.3V。

三极管的输出特性是指当基极电流IB一定时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。通常把输出特性曲线分为三个工作区：

1、放大区：输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区, IC ＝ IB ×?,由于在不同IB下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使UBE>0，UBC<0。

2、截止区： IB ＝ 0的曲线以下的区域称为截止区。实际上，对NPN硅管而言，当UBE＜0.5V时即已开始截止，但是为了使三极管可靠截止，常使UBE≤0V，此时发射结和集电结均处于反向偏置。

3、饱和区：输出特性曲线的陡直部分是饱和区，此时IB的变化对 IC的影响较小，放大区的?不再适用于饱和区 。在饱和区， UCE＜UBE，发射结和集电结均处于正向偏置。

动画形象解读三极管的工作原理