三极管结构及操作原理.pdf

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 结构与操作原理 三极管的基本结构是两个反向连结的pn 接面，如图1所示，可有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。图中也显示出 npn 与pnp 三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n 型半导体， 和二极体的符号一致。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。 图1pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。 三极管的电特性和两个pn 接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里 我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”(forwardactive)，在此区EB 极间的pn 接 面维持在正向偏压，而BC 极间的pn 接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管 都以此方式偏压。图2(a)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。图2(b)画的是没外加偏压，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。 三极管和两个反向相接的pn 二极管有什么差别呢？其间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。 IC 的大小和BC 间反向偏压的大小 关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec，与由基极注入 射极的电子流InB?E （这部分是三极管作用不需要的部分）。InB?E 在射极与与电 洞复合，即InB?E=IErec。pnp 三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地 在图3(a)中看出。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 图2(a)一pnp 三极管偏压在正向活性区；(b)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比较。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 图3(a)pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类；(b)电洞电位能分布及 注入的情形；(c)电子的电位能分布及注入的情形。 一般三极管设计时，射极的掺杂浓度较基极的高许多，如此由射极注入基极 的射极主要载体电洞（也就是基极的少数载体）IpE?B 电流会比由基极注入射极 的载体电子电流InB?E 大很多，三极管的效益比较高。图3(b)和(c)个别画出电洞 和电子的电位能分布及载体注入的情形。同时如果基极中性区的宽度WB 愈窄， 电洞通过基极的时间愈短，被多数载体电子复合的机率愈低，到达集电极的有效电 洞流IpE?C 愈大，基极必须提供的复合电子流也降低，三极管的效益也就愈高。 集电极的掺杂通常最低，如此可增大CB 极的崩溃电压，并减小BC 间反向偏压的 pn 接面的反向饱和电流，这里我们忽略这个反向饱和电流。 由图4(a)，我们可以把各种电流的关系写下来： 射极电流I =IpE?B+IErec=IpE?B+InB?E=IpE?C+I