三极管发射结正偏-集电结反偏理解和分析

　　什么是三极管

　　三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号， 也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。

　　工作原理

　　理论原理晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N是负极的意思（代表英文中Negative），N型半导体在高纯度硅中加入磷取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而P是正极的意思（Positive）是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。

　　对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e （Emitter）、基极b （Base）和集电极c （Collector）。如下图所示

　　当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Eb。

　　在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流子。

　　由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：

　　Ie=Ib+Ic

　　这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：

　　β1=Ic/Ib

　　式中：β1--称为直流放大倍数，

　　集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：

　　β= △Ic/△Ib

　　式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。

　　α1=Ic/Ie（Ic与Ie是直流通路中的电流大小）

　　式中：α1也称为直流放大倍数，一般在共基极组态放大电路中使用，描述了射极电流与集电极电流的关系。

　　α =△Ic/△Ie

　　表达式中的α为交流共基极电流放大倍数。同理α与α1在小信号输入时相差也不大。对于两个描述电流关系的放大倍数有以下关系

　　

　　三极管的电流放大作用实际上是利用基极电流的微小变化去控制集电极电流的巨大变化。

　　三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常通过电阻将三极管的电流放大作用转变为电压放大作用。

　　放大原理

　　1、发射区向基区发射电子

　　电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子（自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。

　　2、基区中电子的扩散与复合

　　电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。

　　3、集电区收集电子

　　由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。

　　什么叫三极管的发射结正偏、集电结反偏？

　　发射结正偏：基极电压大于发射极电压

　　集电结反偏：三极管在正常工作状态时，加在集电极上的电压方向与其电流方向相反。

　　在放大电路中be结正偏，bc结反偏，三极管工作在放大区，在数字电路中bc结0偏或反偏，三极管交替工作在饱和区和截止区。

　　正偏：当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置

　　反偏：与正向偏置相比，交换电源的正、负极位置，即P区接电源负极，N区接电源正极，就构成了PN结的反向偏置。

　　PN结反向偏置时，外加电场与空间电荷区的内电场方向一致，同样会导致扩散与漂移运动平衡状态的破坏。外加电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使空间电荷区变宽，内电场增强，造成多数载流子扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。但由于常温下少数载流子恒定且数量不多，故反向电流极小。电流小说明PN结的反向电阻很高，通常可以认为反向偏置的PN结不导电，基本上处于截止状态，这种情况在电子技术中称为PN结的反向阻断。

　　当外加的反向电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加电压的变化而变化。这是因为反向电流是由少子漂移形成的，在热激发下，少子数量增多，PN结反向电流增大。换句话说，只要温度不发生变化，少数载流子的浓度就不变，即使反向电压在允许的范围内增加再多，也无法使少子的数量增加，反向电流趋于恒定，因此反向电流又称为反向饱和电流。值得注意的是，反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。