【电子基础知识】三极管的工作原理详解

鸣涧

【电子基础知识】三极管的工作原理详解


三极管的工作原理（内部能量）（本文以NPN型三极管为例）
前言：相信很多初学电子的朋友，在刚接触三极管的时候，都很难理解其原理，笔者当初就是如此。虽然知道它的作用是可以用小电流控制大电流——电流放大作用，但对于里面的原理却一直困惑。在网上找了很多资料，对其原理描述都很模糊。笔者查询了和三极管相关的半导体资料，对其原理有进一步的认识，想拿出来和各位电子初学者一起学习，同时希望抛砖引玉，学习其他电子爱好者的观点。
关键字：三极管，工作原理
一、概念理解
1、N型半导体：又称为电子型半导体。在纯净的硅晶体中通过特殊工艺掺入少量的五价元素（如磷、砷、锑等）而形成，其内部自由电子浓度远大于空穴浓度。所以，N半导体内部形成带负电的多数载流子——自由电子，而少数载流子是空穴。N型半导体主要靠自由电子导电。由于自由电子主要由所掺入的杂质提供，所以掺入的五价杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能就越强。而空穴由热激发形成，环境温度越高，热激发越剧烈。
2、P型半导体：又称为空穴型半导体。在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）而形成，其内部空穴浓度远大于自由电子浓度。所以，P型半导体内部形成带正电的多数载流子——空穴，而少数载流子是自由电子。P型半导体主要靠空穴导电。由于空穴主要由所掺入杂质原子提供，掺入三价的杂质越多，空穴的浓度就越高，导电性能就越强。而自由电子是由热激发形成，环境温度越高，热激发越激烈。
3、PN结及特性：P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有内建一个由N区指向P区的内电场。由于内电场是由多子建成，所以达到平衡后，内建电场将阻挡多数载流子的扩散，但不能阻止少数载流子。P区和N区的少数载流子一旦接近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方。
下面，讲一下PN结的单向导电性。
外加正向电压（正偏）：在外电场作用下，多子将向ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。结果，Ｐ区的多子空穴将源源不断的流向Ｎ区，而Ｎ区的多子自由电子亦不断流向Ｐ区，这两股载流子的流动就形成了ＰＮ结的正向电流。
外加反向电压（反偏）：在外电场作用下，多子将背离ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散，漂移运动起主要作用。漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。因少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流。
4、扩散和漂移：多数载流子移动时扩散，少数载流子移动时漂移。
5、复合：电子和空穴相遇就会复合，大量的电子-空穴对复合就形成电流。
6、空间电荷区：也称耗尽层。在PN结中，由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运动，使PN结中间的部位（P区和N区交界面）产生一个很薄的电荷区，它就是空间电荷区。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此空间电荷区又称为耗尽层。P区一侧呈现负电荷，N区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的内电场。内电场将阻碍多子的扩散，而少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方。
PN结正偏时，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移；PN结反偏时，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。
7、内电场：PN结附近空间电荷区中，方向由N区指向P区的内电场。内电场对多数载流子起隔离作用，而对少数载流子起导通作用。
8、载流子：可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。
9、少数载流子：P型半导体地少数载流子是自由电子，N型半导体中是空穴。
10、二极管：单向导电性。正偏多数载流子可以通过，反偏少数载流子可以通过。反偏时P型半导体和N型半导体不能提供源源不断的少数载流子，所以反偏近似无电流。

二、 三极管的工艺要求及作用
1、发射区掺杂浓度高：确保发射区中有足够多的多数载流子——电子，当基极电压高于发射极的时候，才有足够多的电子扩散到基极。
2、基区做得非常薄：可以更好的让基极（P型半导体）中的少数载流子——电子漂移到集电极。

三、工作条件
1、集电极电压（Vc）大于基极电压（Vb），基极电压（Vb）稍高于发射极电压（Ve）。即：Vc>Vb>Ve，其中Vb一般高于Ve为0.7V；Vc常见电压比Ve高12V。这样就使得集电结反偏，发射结正偏。
2、如要取得输出必须加负载电阻。

四、三极管的工作原理
图解如下：

（NPN型三极管工作原理图）

五、关于三极管的问题
1、集电极（C极）处于反偏状态，为什么还有电流通过？
答：PN结正偏情况下是利于“多数载流子”通过，而反偏则利于“少数载流子”通过，对于基极（B极）来说，它的少数载流子是电子，而当基极电压高于发射极，有电流注入时，发射结正偏导通，发射区向基区扩散大量电子。这些电子在内电场的作用下漂移到C极。从三极管外部看来，电流能通过反偏的集电结，其实，要分清楚“多子”、“少子”的区别。P型半导体的多子是空穴，少子是自由电子；N型半导体的多子是自由电子，少子是空穴。
2、为什么集电极要加上很高的电压？
答：电压高能使集电结的内电场更强，作用在少子上的力更大，有利于少子、尤其是从基区漂移到发射区的电子；同时阻止多子的通过。
3、为什么基区要做得很薄？
答：因为少子越贴近内电场，就越容易受其作用漂移到PN结对面。如果做得太厚，那进入基区的电子就不能很好地受内电场的作用，不能很好地漂移到集电区，所以要从生产工艺上把它做得很薄，厚度一般在几个微米至几十个微米。
4、为什么发射区的掺杂浓度最高？
答：发射区掺杂浓度高才有更多的多数载流子，P型半导体中的多子是空穴，而NPN型半导体的发射区是N型半导体，掺杂浓度高使其有更多的自由电子，这样在基极和发射极的电压差（基极高于发射极）作用下，才有更多电子扩散到基区。假设发射区的掺杂浓度和基区浓度相同，那么扩散到基区的电子绝大多数会跟基区的空穴进行复合掉，电流的放大能力下降。
5、放大倍数β如何确定？
答：在生产过程中，控制基区的厚度和各个区的掺杂浓度，就能生产出不同放大倍数β的三极管。
6、基极（B极）小电流如何控制集电极大电流？
答：当基极没有电流的时候，发射结电流几乎为零，集电结几乎没有电子通过；基极电流慢慢增大时，发射结在正偏电压作用下，多子逐渐激烈地向基区扩散，成为基区的少子。由于基区掺杂浓度低，被基区复合掉的少子少，基极提供的电荷量小，即基极输入的电流小。发射区掺杂浓度高，扩散到基区的多子多，需要外部注入的电荷量大。发射极跟基极复合的电子非常少，主要被集电结的内电场拉到集电区，集电极电流近似于发射极电流。外部注入基极电流越大，发射区到基区的电子扩散就越激烈，漂移到集电区的电子也越多。在三极管的外部看来，发射极电流和集电极电流也急剧增大。
7、用两个二极管可否焊接成一个三极管？
答：虽然两个二极管能结成一个NPN或PNP型的三极管，但其内部硅晶体的掺杂浓度不同于三极管，再者“基极”没能做得很薄，漂移过“集电结”的少子相当少（不是没有），因此发射极中的载流子几乎不能到达集电结。

六、写在最后
以上就是笔者对三极管的工作原理的浅释，本文比较适合初学电子基础的朋友参阅，希望对初学电子的朋友有所帮助。
由于笔者阅历浅和实践经验不足，在撰写的过程难免有疏漏，请各位读者批评指正

sunsili

我们平时所说的三极管全称是双极性晶体管（bipolar junction transistor），具有两个PN结，PNP型三极管电路符号如下所示，通常有B：基极base；C：集电极collector；E：发射极emitter三个引脚，怎么判断晶体管是NPN还是PNP呢？符号中的箭头都是从P指向N的，下面左图中，箭头从中间的P指向N，所有是NPN；而右图中，是从P指向中间的N，所有是PNP。

今天以NPN三极管为例，介绍下三极管的特性。下面的曲线是NPN三极管的输出特性曲线，横坐标是CE之间的电压VCE，纵坐标是CE之间的电流ICE。三极管有三个工作区，分别是饱和区、放大区和截至区。

饱和区的特点是，三级管的电流与IB和VCE有关，但是与VCE相关程度更大，因为可以看到当VCE固定时，不同的IB变化引起的IC变化不大；但是反过来，IB固定，VCE变化一点点就会引起IC剧烈变化，换句话说三极管已经饱和了，已经不受控于IB而受控于VCE了。饱和的意思就是满了，我们可以用向水杯子倒水的模型来理解这个过程，IB就是倒水的水流，IC就是水面的高度，VCE就是指水杯的高度。饱和就是指水满了，如下图饱和时状态所示，此时水面高度IC已经满了（已经饱和）不受控于IB了，而受控于水杯的高度VCE，如果想要进一步增加IC，就需要增加水杯高度VCE，这样理解饱和这个概念就更形象易懂了。

• 放大区的特点是，随着IB的增加，IC也增加，IC主要受控于IB，与VCE关系不大，上图清晰地描述了这个现象。
  通俗点说就是用IB来控制IC，所有三极管是电流控制型器件。
  还是以水杯模型来加深记忆，下图中放大状态的水杯中，不管水杯高度VCE是多高，IC的高度只受控于IB。
  
  
• 截至区的特点是，不管VCE怎么变化，只要IB等于0或接近于0，IC也就约等于0，我们还是以水杯为模型来加深理解，下图中注入杯中的水龙头IB水流非常小，接近于0，所有不管水杯VCE多高，水杯中的水IC始终接近于0。
  
  

在电流IC不大时，三极管常用来做放大器或者是开关使用，当需要大电流时往往用MOS来做开关使用，以上就是三极管的相关特性介绍。