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三極管放大原理,有人用三國講明白了!

璟琰乀 ? 來源:電子產品世界 ? 作者:電子產品世界 ? 2020-12-22 16:17 ? 次閱讀

晶體三極管中有兩種不同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。

三極管的原理圖符號主要有兩種,如圖1所示。

6rYjQz.jpeg

圖1

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。

aQVNji.jpeg

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。

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。

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

1

三極管放大狀態(tài)原理

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,也上演了一部爭霸史,故事就發(fā)生在圖3所示的這片區(qū)域。

Bje2my.jpeg

圖3

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。

ZR7fyy.png

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。

nmyqaa.png

圖5

好,一切已經就緒,一場戰(zhàn)爭馬上就要開始了!

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(shù)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(shù)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。

jYjE7j.png

圖6

從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的多數(shù)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(shù)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(shù)電子都將被擴散到集電結,如圖7所示。

fiQBby.png

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。

JVVjqi.png

圖8

在多數(shù)載流子電子進入到集電區(qū)后,集電區(qū)(N型)的少數(shù)載流子空穴與基區(qū)(P型)的少數(shù)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。

uyMvm2.png

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(shù)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。

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(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。

總之,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。

2

直流放大特性

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。

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。

責任編輯:haq

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