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三極管的理論原理

理論原理
晶體三極管(以下簡稱三極管)按材料分有兩種:鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式,但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管,(其中,N是負極的意思(代表英文中Negative),N型半導體在高純度硅中加入磷取代一些硅原子,在電壓刺激下產生自由電子導電,而P是正極的意思(Positive)是加入硼取代硅,產生大量空穴利于導電)。兩者除了電源極性不同外,其工作原理都是相同的,下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。

對于NPN管,它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成,發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結,而集電區與基區形成的PN結稱為集電結,三條引線分別稱為發射極e (Emitter)、基極b (Base)和集電極c (Collector)。如右圖所示

當b點電位高于e點電位零點幾伏時,發射結處于正偏狀態,而C點電位高于b點電位幾伏時,集電結處于反偏狀態,集電極電源Ec要高于基極電源Eb。
在制造三極管時,有意識地使發射區的多數載流子濃度大于基區的,同時基區做得很薄,而且,要嚴格控制雜質含量,這樣,一旦接通電源后,由于發射結正偏,發射區的多數載流子(電子)及基區的多數載流子(空穴)很容易地越過發射結互相向對方擴散,但因前者的濃度基大于后者,所以通過發射結的電流基本上是電子流,這股電子流稱為發射極電流子。
由于基區很薄,加上集電結的反偏,注入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電極電流Ic,只剩下很少(1-10%)的電子在基區的空穴進行復合,被復合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補給,從而形成了基極電流Ibo.根據電流連續性原理得:
Ie=Ib+Ic
這就是說,在基極補充一個很小的Ib,就可以在集電極上得到一個較大的Ic,這就是所謂電流放大作用,Ic與Ib是維持一定的比例關系,即:
β1=Ic/Ib
式中:β1--稱為直流放大倍數,
集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為:
β= △Ic/△Ib
式中β--稱為交流電流放大倍數,由于低頻時β1和β的數值相差不大,所以有時為了方便起見,對兩者不作嚴格區分,β值約為幾十至一百多。
α1=Ic/Ie(Ic與Ie是直流通路中的電流大小)
式中:α1也稱為直流放大倍數,一般在共基極組態放大電路中使用,描述了射極電流與集電極電流的關系。
α =△Ic/△Ie
表達式中的α為交流共基極電流放大倍數。同理α與α1在小信號輸入時相差也不大。
對于兩個描述電流關系的放大倍數有以下關系

三極管的電流放大作用實際上是利用基極電流的微小變化去控制集電極電流的巨大變化。 [3] 
三極管是一種電流放大器件,但在實際使用中常常通過電阻將三極管的電流放大作用轉變為電壓放大作用。
放大原理
1、發射區向基區發射電子
電源Ub經過電阻Rb加在發射結上,發射結正偏,發射區的多數載流子(自由電子)不斷地越過發射結進入基區,形成發射極電流Ie。同時基區多數載流子也向發射區擴散,但由于多數載流子濃度遠低于發射區載流子濃度,可以不考慮這個電流,因此可以認為發射結主要是電子流。
2、基區中電子的擴散與復合
電子進入基區后,先在靠近發射結的附近密集,漸漸形成電子濃度差,在濃度差的作用下,促使電子流在基區中向集電結擴散,被集電結電場拉入集電區形成集電極電流Ic。也有很小一部分電子(因為基區很?。┡c基區的空穴復合,擴散的電子流與復合電子流之比例決定了三極管的放大能力。
3、集電區收集電子
由于集電結外加反向電壓很大,這個反向電壓產生的電場力將阻止集電區電子向基區擴散,同時將擴散到集電結附近的電子拉入集電區從而形成集電極主電流Icn。另外集電區的少數載流子(空穴)也會產生漂移運動,流向基區形成反向飽和電流,用Icbo來表示,其數值很小,但對溫度卻異常敏感。

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