没有一个硬件工程师可以绕开的就是三极管和MOS管了,这是当前晶体管时代电子设计的基础。
说到晶体管,“三极管是流控的,MOS管是压控的”这句话大概都可以脱口而出,但是说到原理的话,都是似是而非,没有一个可以清楚的说明的。本文先就三极管为什么可以做电流放大来做一个详细的说明。
首先上神图:
以npn三极管为例,上图是比较形象的(需要注意区分图里的电流方向和电子运动方向),也是很多人在讲解的时候喜欢使用来说明的,具体的说明过程这里不再详述,只列下结果:
(其中 是固定值,在20~200之间)
发射结正偏,集电结反偏(即BE正偏, 》 ,CB反偏, )
那么同样是二极管,凭什么发射结就这么优秀呢,只分走了很小的一部分电流,而
分走了大部分电流,还有一个固定的倍数关系呢?
下面我们就要把三极管分出来两部分分别讲解了:
发射结正偏,即
克服了PN结中的势垒电压,使得电子可以在外加电压
的作用下从发射极E运动到基极B,即图中
,
是极少数的自由运动的电子导致的电流,可以认为是漏电流,非常小,所以可以忽略。
集电结反偏,这个理解相对抽象一些,我们可以使用反向思维来考虑这个问题,即若集电结正偏,会发生什么。当集电结正偏的时候,电流是从基极流向集电极,即电子方向从集电极流向基极,与图中所画的正好相反,所以集电极应该反偏,使电流按照图示流动。
这样分析下来有个问题,就是没法解释为什么
会比
小那么多,这里就要说一下三极管的结构了,这也是很多小伙伴所忽略的一个地方。
如图所示,三极管的结构。器件并不是对称的!!!三个区域的参杂浓度明显不同,其中,发射极的参杂浓度高于集电极,基极的参杂浓度最低。此外,在几何尺寸上,基极很薄,集电极的面积比发射极大,正是这种结构特点,构成了三极管具有电流放的作用的物质基础。
由于发射极正偏,所以发射极的电子源源不断地流入基极,而基极的空穴流入发射极,但是由于基极的参杂浓度很低,所以基极流入发射极的电流
非常小,而发射极流入基极的电流
非常大,如图中对比明显的两个电流。此时基极的电子浓度增大很多,集电结反偏,,导致集电极的电子浓度很低,在这个浓度差使得电子从基极流向集电极,而基极中与发射极电子复合的空穴由基极电源提供,形成基极复合电流
,为基极电流
的主要成分。
而发射极运动到基极的电子在发射结反偏电压的作用下,从基极流入集电极,形成了集电极的收集电流
,构成了集电极电流的主要部分。
通过上述分析可以看出,三极管中的薄的基极将发射结和集电结反紧密地联系在一起,可以把发射结的电流几乎全部地传输到反偏的集电结回路中去,这正是三极管实现放大作用的关键所在。
三极管的放大其实并不是真正的放大,只是
和
把
做了分流,而
由于自身缺陷,只能分走极小的一部分,其余绝大部分被
分走,而且栅极的结构尺寸确定,那么电流比例就确定了,这就是放大倍数
,
固定只发生在三极管工作在放大区!!!
责任编辑人:CC
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