详细讲解三极管放大状态的工作原理

晶体三极管中有两种不同极性电荷的载流子参与导电，故称之为双极型晶体管（BJT）。它是一种电流控制电流的半导体器件，具有电流放大作用，其主要作用是把微弱输入信号放大成幅值较大的电信号，是很多常用电子电路的核心元件。

三极管的原理图符号主要有两种，如图1所示。

Q1为NPN管，Q2为PNP管，E极箭头方向代表发射结正向偏置时电流的实际方向，它们对应的基本结构如图2所示。

由三个相邻互不相同的杂质半导体叠加起来，就形成了三极管的基本结构。从三个杂质半导体区域各引出一个电极，我们分别将其称之为发射极（Emitter）、集电极（Collector）、基极（Base）；而对应的区域分别称为发射区、集电区、基区；相邻的两个不同类型的杂质半导体将形成PN结，我们把发射区与基区之间的PN结称之为发射结，而把基区与集电区之间的PN结称之为集电结。

三极管在实际应用中可能有三种工作状态：

·    截止：发射结反偏，集电结反偏。

·    放大：发射结正偏，集电结反偏。

·    饱和：发射结正偏，集电结正偏。

下面我们以NPN三极管为例详细讲解三极管放大状态的工作原理。

话说天下大势，分久必合，合久必分，在这片由三块半导体组成的小区域内，也上演了一部争霸史，故事就发生在图3所示的这片区域。

在没有任何处理的NPN三极管施加了两个电压之后，如图4所示。

要使NPN管处于放大状态，施加在CE结两端的电压Vce比施加在BE结的电压Vbe要大。因此，NPN管三个极的电位大小分别是：VC>VB>VE，（发射极电位Ve为参考电位0V），这样一来，三极管的发射结是正向偏置，而集电结是反向偏置，这就是三极管处于放大状态的基本条件。

在电压连接的一瞬间，假设基-射（发射结）偏置电压Vbe=5V，而集-射极偏置电压Vce=12V，两个N型半导体与P型半导体形成了两个PN结，BE结（发射结）正向电压偏置而导通将基极电位限制在0.7V（硅管），而集电极电位由于PN结反向偏置截止而为12V（瞬间电位，此时集电极电流还没有），如图5所示。

好，一切已经就绪，一场战争马上就要开始了！当发射结外加正向电压Vbe（正向偏置）时，由于发射区的掺杂浓度很高（三个区中最高），而基区的掺杂浓度最低，发射区的多数载流子电子将源源不断地穿过发射结扩散到基区（因浓度差而引起载流子由高浓度区域向低浓度区域的转移，称为扩散），形成发射结电子扩散电流Ien（该电流方向与电子运动方向相反）。

与此同时，基区的多数载流子空穴也扩散至发射区，形成空穴扩散电流Iep（该电流方向与Ien相同），很明显，Iep相对于Ien而言很小，然而，革命的力量是不分大小的！Ien与Iep两者相加发射极电流Ie，如图6所示。

从发射区扩散到基区的多数载流子电子在发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越低，从而形成了一定的电子浓度差，这种浓度差使得扩散到基区的电子继续向集电结方向扩散。在电子扩散的过程中，有一小部分电子与基区的多数载流子空穴复合，从而形成基区电流Ibn。我们知道，基区很薄且掺杂浓度低，因此，电子与空穴复合机会少，基区电流Ibn也很小，大多数电子都将被扩散到集电结，如图7所示。

由于集电结是反向偏置电压，空间电荷区的内电场被进一步加强（PN结变宽），这样反而对基区扩散到集电结边境的载流子电子有很强的吸引力（电子带负电，同性相斥异性相吸），使它们很快漂移过集电结（电场的吸引或排斥作用引起的载流子移动叫做漂移），从而形成集电极电流Icn（方向与电子漂移方向相反）。很明显，Icn=Ien-Ibn，因为百万大军一小部分在基区，剩下的大部分在集电区，如图8所示。

在多数载流子电子进入到集电区后，集电区（N型）的少数载流子空穴与基区（P型）的少数载流子电子也会产生漂移运动，形成了电流Icbo，而另有一些会跨过基区到达发射区从而形成Iceo，如图9所示。

Icbo表示集电极-基极反向饱和电流，Iceo表示集电极-发射极反向饱和电流（也统称为穿透电流），它们不受发射结电压Vbe控制，也不对电流的放大做出贡献，只取决于温度和少数载流子的浓度，当然是越小越好。在相同条件下，硅管的穿透电流比锗管小，在某些大功率应用场合，还必须外接穿透电流释放电阻，防止穿透电流引起三极管过热而损坏。

在三极管的放大状态下，只要控制外加发射结电压Vbe，基极电流IB也会随之变化，继而控制发射区的多数载流电子数量，最终也将控制集电极的电流IC。从三极管放大的原理上可以看出，所谓的“放大”并不是将基极电流IB放大，只不过是用较小的基极电流IB值来控制较大的集电极电流IC值，从外部电路来看就好像是IB被放大一样，这与“四两拔千斤”也是一个道理。

总之，如果上面的过程显得太麻烦的话，总结就三句话：
1）发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流Ie。2）扩散基区的自由电子与空穴的复合运动系形成了基极电流Ib。3）集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic。

直流放大特性
就像铭记二极管的单向导电特性一样，只要谈起三极管就要想到“电流放大”。

结论是：三极管是一个具有电流放大功能的器件，三极管b极上的小电流可以控制c极的大电流。

为了让这个枯燥的概念形象些， 我们用一幅画来比喻三极管的电流放大作用。

把三极管比作一个水箱， 其排水管由阀门控制，只要微调阀门就能控制排水管的流量。水箱好像三极管的c极，阀门就好像b极，而排水管相当于e极。当三极管b极获得如图所示的微小偏置电压后（+0.7V），就好像阀门被打开一样， 水得以从水箱向下快速流出一电流从c 极流向e极。且三极管b极偏置电压消失，就好像阀门关上了一样，c极到e极也就没有电流了。

审核编辑：黄飞