如何理解三極管的工作原理

我們該如何理解三極管的工作原理？
三極管是電流控制型元件，通過調(diào)節(jié)輸入電流的大小，可控制輸出的電流。因為輸出端電流大小與輸入端呈β倍的關(guān)系，故三極管一般被應(yīng)用于放大電路中。
三極管的一個重要的特性就是放大。我們可以用現(xiàn)實中的例子來形象的解釋這個原理。將三極管看成是一個水壩，電流假設(shè)為水流。水壩有兩個閥門，一個大閥門(IC)，一個小閥門(IB)。由于大閥門需要很大的力量才能打開，所以不能夠直接打開。而打開小閥門需要的力量較小，我們可以直接開啟。通過開啟小閥門，讓通過小閥門的水流去沖擊打開大閥門。當小閥門的水流(基極電流)足夠大時，大閥門(集電極)被打開，水流(集電極電流)就流出來了。所以大閥門的水流大小是由小閥門控制的。當小閥門的水流不足時，大閥門無法打開，相當于三極管截止。當大閥門已經(jīng)開至最大，無論怎么增加小閥門的水流也無法增加大閥門的水流時，可以看作是三極管飽和。
 
當然這只是一個形象的說法，要清楚三極管真正的工作原理，我們必須要回歸至三極管的背部結(jié)構(gòu)-PN結(jié)。要說明PN結(jié)如何使三極管工作的，我們還要先回顧一下二極管的原理。下圖為二極管PN結(jié)導通時的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 二極管的導通示意圖
 
 
             
圖2 載流子的擴散運動                         圖3 載流子的漂移運動
 
了解了這些以后，下面說明三極管的原理(NPN型)。三極管的原理圖如圖4所示。

圖4 三極管原理圖(NPN型)
 
如果要讓三極管工作與放大狀態(tài)，必須要讓集電極反偏，發(fā)射極正偏。下面探究集電極電流IC的形成原因。
 
集電極電流I_C的形成
這里基極與集電極相當于一個二極管，在二極管上加反偏電壓時，P區(qū)與N區(qū)的多數(shù)載流子會被引向電源方向(對于N區(qū)來說電子為多數(shù)載流子；對于P區(qū)來說空穴為多數(shù)載流子)。這時P區(qū)與N區(qū)的少數(shù)載流子在電源與內(nèi)電場的共同作用下，會穿過PN結(jié)形成反向電流。其實這里的電流IC大小與反向偏置電壓VC的大小并沒有什么關(guān)系，VC只是提供了一個反向偏置電壓，它的大小對于IC來說影響很小。真正決定I_C大小的是少數(shù)載流子的多少。如圖5。

圖5 集電極反偏時的I_C
 
集電極電流I_C增大的原因
如果想要增加I_C，那么只需要增加少數(shù)載流子就可以達到目的了。P區(qū)的少數(shù)載流子是電子，所以為了向P區(qū)(基極)增加少數(shù)載流子，就在P區(qū)上再加一塊N型半導體。在正向偏置電壓的作用下，N區(qū)(發(fā)射極)的電子被注入到P區(qū)(基極)中，P區(qū)中的空穴移動到N區(qū)。基極的少數(shù)載流子(電子)，因為發(fā)射極的注入而增多了。如圖6所示。

圖6 發(fā)射極的電子注入到基極中
 
雖然基極的電子增多了，但相對來說電子仍是少數(shù)載流子。而少數(shù)載流子在外加反向偏置電壓與內(nèi)電場的共同作用下，會很容易的通過PN結(jié)。所以基極的更多的電子會移動到集電極，而集電極的更多空穴會因為載流子濃度的改變而移動到基極。集電極與基極之間的電流I_C也就變大了。
 

圖7 三極管載流子與電流
 
基極電流I_B與集電極電流I_C的關(guān)系
整個三極管的電流都是電子從發(fā)射極至基極再至集電極的流動。發(fā)射極向基極注入電子，電子會被基極的空穴攔截一部分(電子與空穴結(jié)合)，這部分形成的電流就是I_B，而剩余到達集電極的電子形成的電流就是I_C。可見I_B與I_C的放大關(guān)系是由基極的空穴濃度決定的。基極越薄的話，空穴濃度就低，通過的電子就越多形成的電流IC就越大，放大倍數(shù)β也就越大。所以I_B與I_C的放大倍數(shù)的根本決定因素就是基極的空穴濃度，也就是三極管的結(jié)構(gòu)。