三极管内部工作原理

三极管的工作原理？~

工作原理：
对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b 和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Eb。
三极管的电流放大作用实际上是利用基极电流的微小变化去控制集电极电流的巨大变化。
三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常通过电阻将三极管的电流放大作用转变为电压放大作用。

扩展资料：
发射区向基区发射电子：电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。
基区中电子的扩散与复合：电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。
集电区收集电子：由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。
参考资料来源：百度百科——三极管

　　三极管的工作原理：三极管，全称为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件，其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。三极管具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。

　　三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，有pnp和npn两种组合。三个接出来的端点依序称为射极(emitter, E)、基极(base, B)和集极(collector,C)，名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中性的p型区和n型区隔开。

　　下图为一pnp三极管在此偏压区的示意图。EB接面的空乏区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极;而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，故本身是不导通的。没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形下，电洞和电子的电位能的分布图（见下图）。

　　三极管和两个反向相接的pn二极管最大的不同部分就在于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例，射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时，会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。

三极管的工作原理
它的作用是可以用小电流控制大电流——电流放大作用
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。
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 图解如右：
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，集电结几乎没有电子通过；基极电流慢慢增大时，集电结在正偏电压作用下，多子逐渐激烈地向基区扩散。由于基区掺杂浓度低，扩散到集电区的多子少，需要外部注入的电流小。发射区掺杂浓度高，扩散到基区的多子多，需要外部注入的电流大。放大倍数跟基区厚度、发射区掺杂浓度成正比。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。

三极管的结构和分类

其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。通俗来讲，三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。

上述三层结构即为三极管的三个区, 中间比较薄的一层为基区，另外两层同为N型或P型，其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区，另一层则为集电区。三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起放大作用的内部条件。

三个区各自引出三个电极，分别为基极（b） 、发射极（e）和集电极（c）。

如图b所示，三层结构可以形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。三极管符号中的箭头方向就是表示发射结的方向。

三极管内部结构中有两个具有单向导电性的PN结，因此当然可以用作开关元件，但同时三极管还是一个放大元件，正是它的出现促使了电子技术的飞跃发展。

2 三极管的电流放大作用

直流电压源Vcc应大于Vbb，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻Rb，基极电流IB，集电极电流Ic 和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可以得出以下结论：

（1） IE ＝ IB ＋ IC ( 符合克希荷夫电流定理）

（2） IC ≈ IB ×? （ ?称为电流放大系数，可表征三极管的电流放大能力）

（3）△ IC ≈ △ IB ×?

由上可见，三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。

3 三极管的放大原理

以下用NPN三极管为例说明其内部载流子运动规律和电流放大

原理，

1、发射区向基区扩散电子：由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。

2、电子在基区扩散和复合：由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流IB，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。

3、集电区收集从发射区扩散过来的电子：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。

4 三极管的输入输出特性

三极管的输入特性是指当集-射极电压UCE为常数时，基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。

对硅管而言，当UCE超过1V时，集电结已经达到足够反偏，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。如果此时再增大UCE ，只要UBE保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定）， IB也就基本不变。就是说，当UCE超过1V后的输入特性曲线基本上是重合的。

由图可见，和二极管的伏安特性一样，三极管的输入特性也有一段死区，只有当UBE大于死区电压时，三极管才会出现基极电流IB。通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压UBE为0.6～0.7V，PNP型锗管的发射结电压UBE为-0.2～ -0.3V。

三极管的输出特性是指当基极电流IB一定时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。通常把输出特性曲线分为三个工作区：

1、放大区：输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区, IC ＝ IB ×?,由于在不同IB下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使UBE>0，UBC<0。

2、截止区： IB ＝ 0的曲线以下的区域称为截止区。实际上，对NPN硅管而言，当UBE＜0.5V时即已开始截止，但是为了使三极管可靠截止，常使UBE≤0V，此时发射结和集电结均处于反向偏置。

3、饱和区：输出特性曲线的陡直部分是饱和区，此时IB的变化对 IC的影响较小，放大区的?不再适用于饱和区 。在饱和区， UCE＜UBE，发射结和集电结均处于正向偏置。

动画形象解读三极管的工作原理

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三极管内部工作原理视频