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三極管的工作原理？
三極管是電流控制型元件，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電流的大小，可控制輸出的電流。因?yàn)檩敵龆穗娏鞔笮∨c輸入端呈β倍的關(guān)系，故三極管一般被應(yīng)用于放大電路中。
三極管的一個(gè)重要的特性就是放大。我們可以用現(xiàn)實(shí)中的例子來(lái)形象的解釋這個(gè)原理。將三極管看成是一個(gè)水壩，電流假設(shè)為水流。水壩有兩個(gè)閥門(mén)，一個(gè)大閥門(mén)(IC)，一個(gè)小閥門(mén)(IB)。由于大閥門(mén)需要很大的力量才能打開(kāi)，所以不能夠直接打開(kāi)。而打開(kāi)小閥門(mén)需要的力量較小，我們可以直接開(kāi)啟。通過(guò)開(kāi)啟小閥門(mén)，讓通過(guò)小閥門(mén)的水流去沖擊打開(kāi)大閥門(mén)。當(dāng)小閥門(mén)的水流(基極電流)足夠大時(shí)，大閥門(mén)(集電極)被打開(kāi)，水流(集電極電流)就流出來(lái)了。所以大閥門(mén)的水流大小是由小閥門(mén)控制的。當(dāng)小閥門(mén)的水流不足時(shí)，大閥門(mén)無(wú)法打開(kāi)，相當(dāng)于三極管截止。當(dāng)大閥門(mén)已經(jīng)開(kāi)至最大，無(wú)論怎么增加小閥門(mén)的水流也無(wú)法增加大閥門(mén)的水流時(shí)，可以看作是三極管飽和。
當(dāng)然這只是一個(gè)形象的說(shuō)法，要清楚三極管真正的工作原理，我們必須要回歸至三極管的背部結(jié)構(gòu)-PN結(jié)。要說(shuō)明PN結(jié)如何使三極管工作的，我們還要先回顧一下
二極管的原理。下圖為二極管PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 二極管的導(dǎo)通示意圖
圖中標(biāo)N的為N型半導(dǎo)體
N型半導(dǎo)體中摻雜了磷元素或銻元素的硅晶體，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，磷原子外層的五個(gè)外層電子的其中四個(gè)與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，多出的一個(gè)電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。于是，N型半導(dǎo)體就成為了含電子濃度較高的半導(dǎo)體。
圖中標(biāo)P的為P型半導(dǎo)體
摻入少量雜質(zhì)硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，硼原子外層的三個(gè)外層電子與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“空穴”，這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)“填充”，使得硼原子成為帶負(fù)電的離子。這樣，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當(dāng)于”正電荷）
PN結(jié)
在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，而P型區(qū)內(nèi)空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。于是，有一些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)。
空間電荷區(qū)由于正負(fù)電荷相互作用，形成了內(nèi)電場(chǎng)。其方向與載流子的擴(kuò)散方向相反，阻值載流子擴(kuò)散。由于該電場(chǎng)的作用將使N區(qū)的少數(shù)載流子(空穴)向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子(電子)向N區(qū)漂移。漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)正好方向相反，最后達(dá)到平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。
下圖為載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。
圖2 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 圖3 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)
了解了這些以后，下面說(shuō)明三極管的原理(NPN型)。三極管的原理圖如圖4所示。
圖4 三極管原理圖(NPN型)
如果要讓三極管工作與放大狀態(tài)，必須要讓集電極反偏，發(fā)射極正偏。下面探究集電極電流IC的形成原因。
集電極電流I
C的形成
這里基極與集電極相當(dāng)于一個(gè)二極管，在二極管上加反偏電壓時(shí)，P區(qū)與N區(qū)的多數(shù)載流子會(huì)被引向電源方向(對(duì)于N區(qū)來(lái)說(shuō)電子為多數(shù)載流子；對(duì)于P區(qū)來(lái)說(shuō)空穴為多數(shù)載流子)。這時(shí)P區(qū)與N區(qū)的少數(shù)載流子在電源與內(nèi)電場(chǎng)的共同作用下，會(huì)穿過(guò)PN結(jié)形成反向電流。其實(shí)這里的電流IC大小與反向偏置電壓VC的大小并沒(méi)有什么關(guān)系，VC只是提供了一個(gè)反向偏置電壓，它的大小對(duì)于IC來(lái)說(shuō)影響很小。真正決定I
C大小的是少數(shù)載流子的多少。如圖5。
圖5 集電極反偏時(shí)的I
C
集電極電流I
C增大的原因
如果想要增加I
C，那么只需要增加少數(shù)載流子就可以達(dá)到目的了。P區(qū)的少數(shù)載流子是電子，所以為了向P區(qū)(基極)增加少數(shù)載流子，就在P區(qū)上再加一塊N型半導(dǎo)體。在正向偏置電壓的作用下，N區(qū)(發(fā)射極)的電子被注入到P區(qū)(基極)中，P區(qū)中的空穴移動(dòng)到N區(qū)?；鶚O的少數(shù)載流子(電子)，因?yàn)榘l(fā)射極的注入而增多了。如圖6所示。
圖6 發(fā)射極的電子注入到基極中
雖然基極的電子增多了，但相對(duì)來(lái)說(shuō)電子仍是少數(shù)載流子。而少數(shù)載流子在外加反向偏置電壓與內(nèi)電場(chǎng)的共同作用下，會(huì)很容易的通過(guò)PN結(jié)。所以基極的更多的電子會(huì)移動(dòng)到集電極，而集電極的更多空穴會(huì)因?yàn)檩d流子濃度的改變而移動(dòng)到基極。集電極與基極之間的電流I
C也就變大了。
圖7 三極管載流子與電流
基極電流I
B與集電極電流I
C的關(guān)系
整個(gè)三極管的電流都是電子從發(fā)射極至基極再至集電極的流動(dòng)。發(fā)射極向基極注入電子，電子會(huì)被基極的空穴攔截一部分(電子與空穴結(jié)合)，這部分形成的電流就是I
B，而剩余到達(dá)集電極的電子形成的電流就是I
C?？梢?jiàn)I
B與I
C的放大關(guān)系是由基極的空穴濃度決定的?；鶚O越薄的話，空穴濃度就低，通過(guò)的電子就越多形成的電流IC就越大，放大倍數(shù)β也就越大。所以I
B與I
C的放大倍數(shù)的根本決定因素就是基極的空穴濃度，也就是三極管的結(jié)構(gòu)。
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