三极管工作基本原理

作者：睿一

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一、三极管类型与区别

         三极管大致分两类：PNP型和NPN型。（P代表正极：Positive，N代表负极：Negative）P型半导体在高纯度硅中加入硼取代一些硅原子，产生大量空穴利于导电，而N型半导体在高纯度硅中加入磷取代硅，在电压刺激下产生自由电子导电。

三极管在内部制造工艺上有三个特点：

A、基区很薄，且掺杂浓度比较低（但薄了会增大结电容，从而影响带宽性能）；

B、发射区高掺杂，增加多子（空穴或自由电子）数量；

C、集电结面积大，利于接收多子（空穴或自由电子）。

 

原理图符号如下：

图1-1 NPN型三极管

 

 

图1-2 PNP型三极管

二、截止和导通内部状态

       （以NPN三极管为例进行讲解）

         1、截止

         截止条件：a、发射结电压Ube小于PN结导通电压或反偏；b、集电结反偏

              理想条件下，三极管在截止状态下，IB=0 mA，IC=0mA，IE=0mA。（实际情况是，PN结截止时，总是会有很小的漏电流存在，也就是说PN结总是存在着反向关不断的现象，PN结的单向导电性并不是百分之百，同时也是IB控制IC的重要基础，后面详细讲述。）

 

图2-1 NPN三极管内部构造示意图

 

         2、放大导通

         放大导通条件：a、发射结电压Ube大于PN结导通电压；b、集电结反偏

         基极、集电极、发射极的电压关系：UC>UB>UE

         当PN结正向导通后，发射极E（N型半导体）的大量的多子（自由电子）流向基极B，由于基极B（P型半导体）很薄且掺杂浓度低，对多子（自由电子）的捕获能力较弱。同时，集电结反偏，使集电极到基极存在正向电势能，电场的矢量方向与电子运动方向正好相反，便于电子向集电极注入。以上因素，促使电子很容易穿透基区和集电结到达集电极，形成电流IC。（这种情况下，PN结反向导通比想象的要容易，但要和普通PN结反向导通相区别。）

         三极管放大导通后，IC与UC无直接关系，UC的作用是维持反向偏置电路。IC与IB、掺杂浓度相关。

         对于IC还可以理解为：IC的本质是少子（空穴）电流，是通过电子注入（集电结反偏）而实现的人为可控的集电结“漏”电流，因此它就可以很容易地反向通过集电结。

图2-2 NPN型三极管放大导通电路

 

         3、饱和导通

         饱和导通条件：a、发射结电压Ube大于PN结正向导通电压；b、集电结电压Ubc大于PN结正向导通电压；

         基极、集电极、发射极的电压关系：UB>UC且UB >UE。

         此时，IB、IC、IE均为少子（空穴）形成的电流，电流大小和基区的掺杂浓度有关。

 

图2-3 NPN型三极管饱和导通电路

 

三、总结

虽然上述以NPN型三极管为例进行讲解，但原理同样适用于PNP型三极管，PNP型三极管的多子为带正电荷的空穴。

三极管工作状态与条件关系如下表：

工作状态	工作条件	描述	备注
截止	发射结反偏，集电结反偏	Ube≤0V（或小于PN结正向导通电压），Ubc≤0V	矢量电压
放大	发射结正偏，集电结反偏	Ube大于等于PN结正向导通电压，Ucb＞0V	矢量电压
饱和	发射结正偏，集电结正偏	Ube大于等于PN结正向导通电压，Ubc＞0V	矢量电压
倒置	发射结反偏，集电结正偏	Ube＜0V，Ucb＞0V	实际使用机会较少，暂不讲解