簡單地介紹三極體在放大狀態下的基本原理

簡單地介紹三極體在放大狀態下的基本原理

胡薇 發表於 2018-04-27 09:29:51

三極體也稱雙極型電晶體（Bipolar Junction Transistor, BJT），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。

三極體的原理圖符號主要有兩種，如下圖所示：

其中，Q1為NPN管，Q2為PNP管，E極箭頭方向代表發射結正向偏置時電流的實際方向，它們對應的基本結構如下圖所示：

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體的基本結構，從三個雜質半導體區域各引出一個電極，我們分別將其稱之為發射極（Emitter）、集電極（Collector）、基極（Base），而對應的區域分別稱為發射區、集電區、基區，相鄰的兩個不同類型的雜質半導體將形成PN結，我們把發射區與基區之間的PN結稱之為發射結，而把基區與集電區之間的PN結稱之為集電結。

三極體在實際應用中可能有四種工作狀態（即放大、截止、飽和及倒置），下面我們以NPN三極體為例詳細講解三極體放大狀態的工作原理（PNP是類似的，本文不再贅述）：

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域內，也上演了一部群雄逐鹿中原的三國演義史，我們的故事就發生在如下圖所示的這片區域：

第一目：在這個看似和平的時代，總有一些暗流湧動的勢力正在潛伏著，只要時機一到，戰爭一觸即發，其中的基區是小國，同時也是集電區與發射區的共同鄰國，為了在這種兵荒馬亂的時代夾縫中生存，基區時刻都在集電區與發射區發展自己的暗勢力（有分教）！

NPN三極體由兩塊N型半導體（發射區與集電區）夾著一塊P型半導體（基區），其中，基區很薄且摻雜濃度低（所以多數載流子空穴也少，少數載流子電子就更少了，弱國嘛！），發射區與集電區是都是N型雜質半導體，但發射區的摻雜濃度高很多，兵強馬壯，而集電區的面積比發射區面積大，幅員遼闊。

第二目：黎明剛剛破曉，一支百萬大軍從發射區大本營出發，浩浩蕩蕩向北部的基-射邊境開進，發射區主帥接到命令：本次出兵的目的是掃平北部各蠻夷部落（尤其是集電區），使其臣服於統治之下！這個計劃已經制定了很久了，但一直沒有等到時機，直到不久前探子來報：集電區守城主帥命令全城深溝高壘加強防守！機會來了。

原來一直沒有任何處理的NPN三極體被施加了兩個電壓，如下圖所示的：

要使NPN管處於放大狀態，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，（發射極電位VE為參考電位0V），這樣一來，三極體的發射結是正向偏置，而集電結是反向偏置，這就是三極體處於放大狀態的基本條件。

（在電壓連接的一瞬間）假設基-射（發射結）偏置電壓VBE=5V，而集-射極偏置電壓VCE=15V，兩個N型半導體與P型半導體形成了兩個PN結，BE結（發射結）正向電壓偏置而導通將基極電位限制在0.7V（矽管），而集電極電位由於PN結反向偏置截止而為15V（瞬間電位，此時集電極電流還沒有），如下圖所示：

好，一切已經就緒，一場戰爭馬上就要開始了，我們來觀察一下三極體的內部載流子的流動情況（多數載流子與少數載流子都要同時注意）

第三目：基區是一個小國家，無論各方面都無法與發射區大國相比，看到百萬大軍開到也絲毫不含糊，稍微做了抵抗意思意思一下後，就做出了一個英明無比的決策：打開城門投降！很快，發射區的兵力就衝過了基-射邊境。

當發射結外加正向電壓VBE（正向偏置）時，由於發射區的摻雜濃度很高（三個區中最高），而基區的摻雜濃度最低，發射區的多數載流子電子將源源不斷地穿過發射結擴散到基區（在文章「二極體」中已經提到過：因濃度差而引起載流子由高濃度區域向低濃度區域的轉移，稱為擴散），形成發射結電子擴散電流IEN（該電流方向與電子運動方向相反）；

與此同時，基區的多數載流子空穴也擴散至發射區，形成空穴擴散電流IEP（該電流方向與IEN相同），很明顯，IEP相對於IEN而言很小，然而，革命的力量是不分大小的，我們一定要團結一切可以團結的力量，才能最終…不好意思，跑題了！

IEN與IEP兩者相加即為發射極電流IE，如下圖所示：

第四目：百萬大軍已經順利攻佔基區城池，勢如破竹，由於基區未有多大的抵抗，發射區百分大軍基本沒有損傷，正所謂「一鼓作氣」，因此，主帥命令大軍繼續北上，然而，誰也沒想到，百萬大軍中有少量的人趁機與基區中人暗中聯絡部署；

從發射區擴散到基區的多數載流子電子在基-射邊境（發射結）附近濃度最高，離發射結越遠（北上）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的電子繼續向集電結方向（北上）擴散。

在電子擴散的過程中，有一小部分電子與基區的多數載流子空穴複合，從而形成基區電流IBN。前面我們已經說過：基區很薄且摻雜濃度低，因此，電子與空穴複合機會少，基區電流IBN也很小，大多數電子都將被擴散到集-基邊境（集電結），如下圖所示：

第五目：正如探子回報，集電區早知發射區有攻打本國的意圖，已然吩咐下去將所有城池加寬加固，以防備所有可能的攻擊。然而發射區主帥早有準備：既然你要深溝高壘避而不戰，我就讓你「成於斯，敗於斯」，用子之矛攻子之盾。於是乎，大軍三更造飯，五更出發。

由於集電結是反向偏置電壓，空間電荷區的內電場被進一步加強（PN結變寬），這樣反而對基區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（我們的文章「二極體」裡提到過：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，剩下的大部分在集電區，如下圖所示：

有人問道：發射區的載流子電子都跑到基區與集電區了，後續不就沒了電子了嗎？乖乖，外面有電源VBE與VCE呀，它可以提供更多源源不斷的電子。

第六目：得益於發射區主帥的奇囊妙計，發射區大軍果然順利攻下了集電區，形成了全境統一的格局，但是集電區的殘餘勢力也乘機混入到基區或發射區中，蟄伏待機，隨時可能會跑出來破壞國家統一。

在多數載流子電子進入到集電區後，集電區（N型）的少數載流子空穴與基區（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到達發射區從而形成ICEO，如下圖所示：

ICBO表示集電極-基極反向飽和電流，ICEO表示集電極-發射極反向飽和電流（也統稱為穿透電流），它們不受發射結電壓VBE控制，也不對電流的放大做出貢獻，只取決於溫度和少數載流子的濃度，當然是越小越好。在相同條件下，矽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體過熱而損壞（具體可參考文章「達林頓管」）

第七目：而事實是：基區鑑於自身的固有境況，一直在發射區與集電區發展暗勢力，這次戰爭就是間接使計，利用發射區決策層使發射區主帥發兵（集電區深溝高壘的情報就是基區傳遞過去的），借用發射區的兵力來剿滅集電區，也就是說，主動權還是掌握在基區手中，只要控制發射區的施加壓力，就可以將發射區的勢力為自己所用！好一招「螳螂捕蟬，黃雀在後」

在三極體的放大狀態下，只要控制外加發射結電壓VBE，基極電流IB也會隨之變化，繼而控制發射區的多數載流電子數量，最終也將控制集電極的電流IC。

從三極體放大的原理上可以看出，所謂的「放大」並不是將基極電流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。

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