三极管工作原理资料.doc

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结构与操作原理三极管的基本结构是两个反向连结的接面,如图1所示,可有和两种组合。三个接出来的端点依序称为射极(emitterE)、基极(baseB)和集极(collectorC),名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出与三极管的电路符号,射极特别被标出,箭号所指的极为型半导体,和二极体的符号一致。在没接外加偏压时,两个接面都会形成耗尽区,将中性的型区和型区隔开。 ? ?????????????? 图1(a)与(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”(forward active),在此区EB极间的接面维持在正向偏压,而BC极间的接面则在反向偏压,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。 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。 ? 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IE=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ IBrec + InB? E (1a) 基极电流IB= InB? E + IBrec= IErec + IBrec (1b) 集电极电流IC =IpE? C= IE - IErec - IBrec= IE - IB (1c) 式1c也可以写成 IE = IC + IB ????????????? 射极注入基极的电洞流大小是由EB接面间的正向偏压大小来控制,和二极 体的情形类似,在启动电压附近,微小的偏压变化,即可造成很大的注入电流变 化。更精确的说,三极管是利用VEB(或VBE)的变化来控制IC,而且提供之IB远 比IC小。npn三极管的操作原理和pnp三极管是一样的,只是偏压方向,电流方 向均相反,电子和电洞的角色互易。pnp三极管是利用VEB控制由射极经基极、 入射到集电极的电洞,而npn三极管则是利用VBE控制由射极经基极、入射到集电极 的电子,图4是二者的比较。 经过上面讨论可以看出,三极管的效益可以由在正向活性区时,射极电流中 有多少比例可以到达集电极看出,这个比例习惯性定义作希腊字母α ? ? ??????? 图4 pnp三极管与npn三极管在正向活性区的比较。 ? 而且a一定小于1。效益高的三极管,a可以比0.99大,也就是只有小于1%的射极电流在基极与射极内与基极的主要载体复合,超过99%的射极电流到达集电极!了解正向活性区的工作原理后,

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