三极管的放大作用

三极管的放大作用下面以NPN型三极管为例，来讨论三极管的放大作用。图a所示的NPN三极管的结构，由于内部存在两个PN结，表面看来，似乎相当于两个二极管背靠背地串联在一起，如下左图所示，但是假设将两个单独的二极管如下右图所示地连接起来，将会发现它们并不具有放大作用。为了使三极管实现放大，还必须由三极管的内部结构和外部所加电源的极性两方面的条件来保证。从三极管的内部结构来看，主要有两个持点。第一，发射区进行高掺杂，因而其中的多数载流子浓度很高。NPN三极管的发射区为N型，（其中的多子是电子），所以电子的浓度很高。第二，基区做得很薄，通常只有几微米到几十微米，而且掺杂比较少，则基区中多子的浓度很低。NPN三极管的基区为P型，（其中的多子空穴）的浓度相对很低。三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。1．发射由于发射结正向偏置，因而外加电场有利于多数载流子的扩散运动。又因为发射区的多子电子的浓度很高，于是发射区发射出大量的电子。这些电子越过发射结到达基区，形成电子电流。因为电子带负电，所以电子电流的方向与电子流动的方向相反，见图1.3.5(a)和(b)。与此同时，基区中的多子空穴也向发射区扩散而形成空穴电流，上述电子电流和空穴电流的总和就是发射极电流。由于基区中空穴的浓度比发射区中电子的浓度低得多，因此与电子电流相比，空穴电流可以忽略，可以认为，主要由发射区发射的电子电流所产生。图1.3.5三极管中载流子的运动和电流关系(a)载流子的运动(b)各极电流关系2.复合和扩散电子到达基区后，因为基区为P型，其中的多子是空穴，所以从发射区扩散过来的电子和空穴产生复合运动而形成基极电流，基区被复合掉的空穴由外电源不断进行补充。但是，因为基区空穴的浓度比较低，而且基区很薄，所以，到达基区的电子与空穴复合的机会很少，因而基极电流比发射极电流小得多。大多数电子在基区中继续扩散，到达靠近集电结的一侧。一、输人特性当不变时，输入回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输入特性，，当=0时，从三极管的输入回路看，基极和发射极之间相当于两个PN结〔发射结和集电结)并联，如图(b)所示。所以，当b、e之间加上正向电压时，三极管的输入特性应为两个二极管并联后的正向伏安特性，见图中左边一条特性。=0时三极管的输入回路当＞0时，这个电压的极性将有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。如果＞，则三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，三极管处于放大状态。此时发射区发射的电子只有一小部分在基区与空穴复合，成为，大部分将集电极收集，成为。所以，与=0时相比，在同样的之下，基极电流将大大减小，结果输入特性将右移，见图1.3.8中右边一条特性。当继续增大时，严格地说，输入特性应继续右移。但是，当大于某一数值(例如1V)以后，在一定的之下，集电极的反向偏置电压已足以将注入基区的电子基本上都收集到集电极，即使再增大，也不会减小很多。因此，大于某一数值以后，不同的各条输入特性十分密集，几乎重叠在—起，所以，常常用大丁1V时的一条输入特性(例如＝2V)来代表更高的情况。在实际的放大电路中，三极管的一般都大于零，因而大于1V时的输入特性更有实用意义。三极管的输入特性二、输出特性当不变时，输出回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输出特性在输出特性曲线上可以划分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。下面分别进行介绍。三极管的输出特性1.截止区一般将的区域称为截止区，在图中为＝0的一条曲线以下的部分此时发射结和集电结都反偏，此时也近似为零。由于管子的各极电流都基本上等于零，所以三极管处于截止状想，没有放大作用。其实当=0时，集电极回路的电流并不真正为零，而是有一个较小的穿透电流。一般硅三极管的穿透电流较小，通常小于1A，所以在输出持性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流较大，约为几十~几百微安。可以认为当发射结反向偏置时，发射区不再向基区注入电子，则三极管处于截止状态。所以，在截止区，三极管的发射结和集电结部处于反向偏置状态。对于NPN三极管来说，此时0，0。2．放大区在放大区内，各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平的直线，表示当一定时，的值基本上不随而变化。而当基极电流有一个微小的变化量时，相应的集电极电流将产生较大的变化最，比放大倍，即这个表达式体现了三极管的电流放大作用。在放大区，三极管的发时结正向偏置，集电结反向偏置。对于NPN三极管来说，＞0，而0。3.饱和区图1.3.9中靠近纵坐标的附近，各条输出特性曲线的上升部分属于三极管的饱和区，见图中纵坐标附近虚线以左的部分。在这个区域，不同值的各条特性曲线几乎重叠在—起，十分密集。也就是说，当较小时，管子的集电极电流基本上不随基极电流而变化，这种现象称为饱和。在饱和区，三极管失去了放大作用，此时不能用放大区中的来描述和的关系。一般认为，当=，即＝0时，三极管达到临界饱和状态。当时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用表示，一般小功率硅三极管的饱和管压降＜0.4V。三极管工作在饱和区时，发射结和集电结都处于正向偏置状态。对与NPN三极管来说，0，0。以上介绍了三极管的输入特性和输出特性。管子的特性曲线和参数是根据需要选用三极管的主要依据。各种型号三极管的特性曲线可从半导体器件手册查得。如欲测试某个管子的特性曲线，除了逐点测试以外，还可利用专用的晶体管特性图示仪，它能够在荧光屏上完整地显示三极管的特性曲线族。三极管的主要参数一、电流放大系数三极管的电流放大系数是表征管子放大作用大小的参数。综合前面的讨论，有以下几个参数：1.共射电流放大系数体现共射接法时三极管的电流放大作用。所谓共射接法指输入回路和输出回路的公共端是发射极，见图1.3.10(a)。的定义为集电极电流与基极电流的变化量之比，即三极管的电流放大关系(a)共射接法(b)共基接法。四、