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三极管的工作原理,详细、通俗易懂、图文并茂

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经没用了。如果不开阀门江水就自己冲开了,这就是二极管的击穿。

在模拟电路中,一般阀门是半开的,通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。 没有信号的时候,水流也会流,所以,不工作的时候,也会有功耗。

而在数字电路中,阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候,阀门是完全 关闭的,没有功耗。

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1 pnp(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”(forward active),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。

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 基极电流 集电极电流

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