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如何理解三极管的工作原理

我们该如何理解三极管的工作原理?
三极管是电流控制型元件,通过调节输入电流的大小,可控制输出的电流。因为输出端电流大小与输入端呈β倍的关系,故三极管一般被应用于放大电路中。
三极管的一个重要的特性就是放大。我们可以用现实中的例子来形象的解释这个原理。将三极管看成是一个水坝,电流假设为水流。水坝有两个阀门,一个大阀门(IC),一个小阀门(IB)。由于大阀门需要很大的力量才能打开,所以不能够直接打开。而打开小阀门需要的力量较小,我们可以直接开启。通过开启小阀门,让通过小阀门的水流去冲击打开大阀门。当小阀门的水流(基极电流)足够大时,大阀门(集电极)被打开,水流(集电极电流)就流出来了。所以大阀门的水流大小是由小阀门控制的。当小阀门的水流不足时,大阀门无法打开,相当于三极管截止。当大阀门已经开至*大,无论怎么增加小阀门的水流也无法增加大阀门的水流时,可以看作是三极管饱和。
 
当然这只是一个形象的说法,要清楚三极管真正的工作原理,我们必须要回归至三极管的背部结构-PN结。要说明PN结如何使三极管工作的,我们还要先回顾一下二极管的原理。下图为二极管PN结导通时的结构示意图。
二极管的导通示意图
图1 二极管的导通示意图
 
图中标N的为N型半导体
N型半导体中掺杂了磷元素或锑元素的硅晶体,由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键,多出的一个电子几乎不受束缚,较为容易地成为自由电子。于是,N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体。
图中标P的为P型半导体
掺入少量杂质硼元素(或铟元素)的硅晶体(或锗晶体)中,由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候,会产生一个“空穴”,这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”,使得硼原子成为带负电的离子。这样,这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”(“相当于”正电荷)
PN结
在P型半导体和N型半导体结合后,由于N型区内电子很多而空穴很少,而P型区内空穴很多电子很少,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。这样,电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。于是,有一些电子要从N型区向P型区扩散,也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴,留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子,留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移动,因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区。
空间电荷区由于正负电荷相互作用,形成了内电场。其方向与载流子的扩散方向相反,阻值载流子扩散。由于该电场的作用将使N区的少数载流子(空穴)向P区漂移,使P区的少数载流子(电子)向N区漂移。漂移运动与扩散运动正好方向相反,后达到平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。
下图为载流子的扩散运动与载流子的漂移运动。
 
载流子的扩散运动             载流子的漂移运动
图2 载流子的扩散运动                         图3 载流子的漂移运动
 
了解了这些以后,下面说明三极管的原理(NPN型)。三极管的原理图如图4所示。
三极管原理图(NPN型)
图4 三极管原理图(NPN型)
 
如果要让三极管工作与放大状态,必须要让集电极反偏,发射极正偏。下面探究集电极电流IC的形成原因。
 
集电极电流IC的形成
这里基极与集电极相当于一个二极管,在二极管上加反偏电压时,P区与N区的多数载流子会被引向电源方向(对于N区来说电子为多数载流子;对于P区来说空穴为多数载流子)。这时P区与N区的少数载流子在电源与内电场的共同作用下,会穿过PN结形成反向电流。其实这里的电流IC大小与反向偏置电压VC的大小并没有什么关系,VC只是提供了一个反向偏置电压,它的大小对于IC来说影响很小。真正决定IC大小的是少数载流子的多少。如图5。
三极管原理图(NPN型)
图5 集电极反偏时的IC
 
集电极电流IC增大的原因
如果想要增加IC,那么只需要增加少数载流子就可以达到目的了。P区的少数载流子是电子,所以为了向P区(基极)增加少数载流子,就在P区上再加一块N型半导体。在正向偏置电压的作用下,N区(发射极)的电子被注入到P区(基极)中,P区中的空穴移动到N区。基极的少数载流子(电子),因为发射极的注入而增多了。如图6所示。
发射极的电子注入到基极中
图6 发射极的电子注入到基极中
 
虽然基极的电子增多了,但相对来说电子仍是少数载流子。而少数载流子在外加反向偏置电压与内电场的共同作用下,会很容易的通过PN结。所以基极的更多的电子会移动到集电极,而集电极的更多空穴会因为载流子浓度的改变而移动到基极。集电极与基极之间的电流IC也就变大了。
 
三极管载流子与电流
图7 三极管载流子与电流
 
基极电流IB与集电极电流IC的关系
整个三极管的电流都是电子从发射极至基极再至集电极的流动。发射极向基极注入电子,电子会被基极的空穴拦截一部分(电子与空穴结合),这部分形成的电流就是IB,而剩余到达集电极的电子形成的电流就是IC。可见IB与IC的放大关系是由基极的空穴浓度决定的。基极越薄的话,空穴浓度就低,通过的电子就越多形成的电流IC就越大,放大倍数β也就越大。所以IB与IC的放大倍数的根本决定因素就是基极的空穴浓度,也就是三极管的结构。

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