三极管的内部结构和原理（三极管结构及原理）

该内容转载自河科大牛老师

1、三极管的结构

当在一块半导体基片上的三个区域分别掺入不同杂质形成NPN型结构或者PNP结构，并在每个区域引出一个管脚时，就构成了NPN型三极管和PNP型三极管。

两侧相同类型的区域因用途不同，掺杂浓度不同。掺杂浓度高的称为发射区；掺杂浓度一般，且面积很大地称为集电区。夹在发射区和集电区中间的不同类型的区域称为基区，基区掺杂浓度非常低，且非常薄。

三极管的基区与发射区交界处形成的PN结称为发射结，基区与集电区交界处形成的PN结称为集电结。

2、三极管工作原理

顾名思义，发射区发射电荷，集电区收集从发射区发射的电荷。发射区能发射多少电荷取决于加在发射结上的电压大小，而集电区能收集多少从发射区发射的电荷，不但取决于由从发射结电压决定的从发射区发射出的电荷数量，还取决于加在集电结上的电压大小。

发射区能发射的电荷是多子而不是少子，故NPN型的发射区发射自由电子，穿过基区到达集电区，形成电流；PNP型的发射区发射空穴穿过基区到达集电区，形成电流。因两类三极管的电荷性质相反，故三个引脚的电流方向是相反的，两个PN结的电压也是相反的。

以NPN型三极管为例。

发射区的多子，自由电子，要想穿过发射结到达基区，需要在发射结上加正偏电压，使得发射结消失才可以。

由于基区的多子，即空穴，数量极少（掺杂浓度低且厚度极薄），从而不能使得所有从发射区发射过来的自由电子与基区空穴复合，只有很少一部分与 空穴复合，形成电流从基极流出（复合后基极外接正电压补充正电荷到基区）。

从发射区移动到基区的没有机会与基区空穴复合的大部分自由电子堆积在集电结附近，若想穿过集电结到达集电区，需要在集电结上加反偏电压。这是因为基区是P型半导体，自由电子是少子（虽然绝对数量较多），少子想穿过PN结，需要在PN结上加反偏电压。

当集电结反偏时，N型集电区的内电场为正，可吸引基区的自由电子漂移过集电结，到达集电区。

小结：当发射结加正偏电压且集电结加反偏电压，发射区的多子，才能从发射区依次穿过发射结和集电结，到达集电区。

3、三极管的输入输出特性曲线

发射结正偏电压越多，从发射区发射的自由电子就越多，电流就越大。当集电结反偏电压越大，从基区漂移过来的自由电子就越多，集电极电流就越大。

①当发射结正偏电压固定时，从发射区移动到基区的自由电子数目固定。当Uce≥1V时，基极电流Ib仅与发射结电压有关（至于为什么提到Uce≥1V，可参考专业电子书籍，比如清华出版社的《模拟电子技术》），两者之间表现出单独的PN结伏安特性，导通时发射结电压Ube会随着外部条件改变而改变，但是变化很小，估算时认为Ube不变，约为0.6V（Si）或0.2V（Ge）。

② 当基极电流Ib固定时，意味着从发射区移动到基区的自由电子数目固定，没有与基区空穴复合的自由电子数目也固定。此时，Uce越大，即集电结反偏电压越大，从基区漂移到集电区的自由电子数目越大，即电流Ic越大。但由于基区自由电子数目有限，当Uce达到某值时，所有自由电子均被漂移到集电区，造成电流Ic达到最大值，此时再增加Uce，电流Ic不再增加。

当增大Ib，则从发射区移动到基区的自由电子数目增多，堆积在基区的自由电子数目更多，在同样的Uce下，到达集电区的自由电子更多，电流Ic更大。同样当Uce达到一定值时，基区所有自由电子漂移到集电区，Ic达到最大值，Uce继续增加，Ic不再增加。此时的最大Ic比之前的最大Ic更大。

基本上Uce≥1V时（不是必然1V，只是大约估计），即可将所有在基区的自由电子漂移到集电区，Ic达到最大值。此阶段，Ib大，则Ic大，Ic仅仅与Ib有关，且Ic约为Ib的β倍，即Ic=β·Ib，称为放大状态。

③由于实际电路中集电极支路通常串联有电阻Rc，故当Ic随着Ib增加而增加时，Uce逐渐减小。只要Uce≥1V（1V是大约估计值），则Ic与Ib始终保持β倍关系，处于放大状态。

当Uce下降到一定值时，Ic开始小于β·Ib，此时称为三极管为临界饱和状态，此时的Uce称为临界饱和电压Uces。

若Ib继续增加，则Ic也增加，但Ic＜βIb，且Ic的增加量越来越小，称为三极管处于饱和状态。

当出现Ib增加而Ic不再增加时，称为深度饱和。深度饱和时，Uce的电压约为0.3V（Si）或0.1V（Ge）。这也是为什么很多的数字芯片的低电平为0.3V或0.1V的原因。

4、PNP型三极管

PNP型三极管工作原理与NPN一样，发射结加正偏电压，集电结加反偏电压。但由于发射区发射的是空穴，故电流方向和电压方向均与NPN相反。

该内容转载自河科大牛老师，仅供学习交流使用，如有侵权，请联系删除。

,