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三极管原理详解

2022年11月10日 16:33 硬件工程师技术干货 作者:硬件工程师技术干 用户评论(0

三极管,又叫做双极型三极管,是一种电流控制电流型半导体元器件,目前三极管的主要用途是信号放大,或者作为电子开关使用。

三极管分为NPN和PNP两种类型,示意图如下所示:

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以下都以NPN型三极管为例说明三极管原理。三极管发射区的参杂浓度非常高,有非常多的载流子——自由电子,集电区的参杂浓度低一些,但是面积非常大,基区的厚度非常薄,厚度只有几十微米。

由于电子的扩散运动以及漂移运动,PN结形成内部电场,由于三极管是NPN结构,因此内部有两个PN结,集电区和基区形成集电结,发射区和基区形成发射结,形成两个内部电场,如下图所示:

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对三极管有一些了解的朋友都知道,要想三极管工作在放大区,必须集电结反向偏置,发射结正向偏置,只有这样才能使三极管导通。可能朋友们都有一个疑惑,集电结反向偏置了应该截止,怎么导通了?击穿了?这还要从二极管原理说起,上一篇介绍了二极管原理的文章提到了,当给PN结施加反向偏置电压的时候,内部电场强度增强,空间电荷区变宽,空间电荷区的自由电子被电场加速,穿过PN结形成反向饱和电流。当然这些自由电子属于少子,形成的反向电流也很小。如果人为把自由电子注入空间电荷区,这些电子同样被电场加速形成反向电流。因此只需要控制注入的电子数量就能够实现对电流的控制。

搭建如下电路,使集电结反偏,发射结正偏。反向偏置的集电结在外部电场的帮助下变宽,同时正向偏置的发射结,由于内部电场被削弱,自由电子扩散运动增强,发射区内部的大量自由电子扩散到了基区,被集电结的内部电场捕获,被电场加速送到了集电结,集电区内部的自由电子被反向偏置电压吸出,产生大量空穴,这些空穴收集发射过来的电子,从而形成集电极电流Ic。发射区注入基区的电子只有极少的被基极偏置电压吸出,形成基极电流Ib。Ic=βIb,β叫做放大倍数,这放大倍数是和制作工艺相关的,同一批制作出来的三极管也不一定相同,但是每个三极管的放大倍数可以认为是不会变的,也就是说只要控制了基极电流Ib,就能控制集电极电流Ic。

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下面再来看看如何控制基极电流的:

以下图片是二极管的伏安特性曲线,随着二极管两端的电压增大,流过二极管的电流呈指数增大。发射结也可以等效为一个二极管,伏安特性也符合以下曲线,因此只要控制发射结电压就好了。说到这里有朋友就说发射结电压不是固定的0.7V吗?如何控制?实际上在三极管处于放大状态时发射结电压Ube并不是固定的0.7V,只是变化很小,有时候可以忽略不计。

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下面使用Multisim仿真一下,如下电路:

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当可调电阻R2分别调整为100%和0%时,集电极电压如下,既不是最大值5V也是不是最小值0V,说明R2在调整过程中,三极管始终工作在放大区。

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R2调整到100% 时Ube=650mV,Ib=4.5uA

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R2调整到0% 时Ube=685mV,Ib=14.5uA

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由此可见R2增大时,Ib减小,Ube减小,发射区注入基区的电子减少,进而Ic减小。严格来说三极管也是个压控流半导体器件。

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( 发表人:汤梓红 )

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