晶体管结构与工作原理.doc

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1、晶体三极管知识晶体三极管作为重要的半导体器件，其基本结构和工作原理需要掌握。下面具体介绍。三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有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。图中也显示出npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体，和二极体的符号一致。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。               图1p

2、np(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。               三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”(forwardactive)，在此区EB极间的pn接面维持在正向偏压，而BC极间的pn接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。图2(a)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

3、大，故本身是不导通的。图2(b)画的是没外加偏压，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。三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间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。IC的大小和BC间反向偏压

4、的大小关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec，与由基极注入射极的电子流InB?E（这部分是三极管作用不需要的部分）。InB?E在射极与与电洞复合，即InB?E=IErec。pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地在图3(a)中看出。图2(a)一pnp三极管偏压在正向活性区；(b)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比较。 图3(a)pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类；(b)电洞电位能分布及注入的情形；(c)电子的电位能分布及注入的情形。           

5、  一般三极管设计时，射极的掺杂浓度较基极的高许多，如此由射极注入基极的射极主要载体电洞（也就是基极的少数载体）IpE?B电流会比由基极注入射极的载体电子电流InB?E大很多，三极管的效益比较高。图3(b)和(c)个别画出电洞和电子的电位能分布及载体注入的情形。同时如果基极中性区的宽度WB愈窄，电洞通过基极的时间愈短，被多数载体电子复合的机率愈低，到达集电极的有效电洞流IpE?C愈大，基极必须提供的复合电子流也降低，三极管的效益也就愈高。集电极的掺杂通常最低，如此可增大CB极的崩溃电压，并减小BC间反向偏压的pn接面的反向饱和电

6、流，这里我们忽略这个反向饱和电流。由图4(a)，我们可以把各种电流的关系写下来：射极电流IE=IpE?B+IErec=IpE?B+InB?E=IpE?C+IBrec+InB?E(1a)基极电流IB=InB?E+IBrec=IErec+IBrec(1b)集电极电流IC=IpE?C=IE-IErec-IBrec=IE-IB(1c)式1c也可以写成IE=IC+IB             射极注入基极的电洞流大小是由EB接面间的正向偏压大小来控制，和二极体的情形类似，在启动电压附近，微小的偏压变化，即可造成很大的注入电流变化。更精确的

7、说，三极管是利用VEB（或VBE）的变化来控制IC，而且提供之IB远比IC小。npn三极管的操作原理和pnp三极管是一样的，只是偏压方向，电流方向均相反，电子和电洞的角色互易。pnp三极管是利用VEB控制由射极经基极、入射到集电极的电洞，而npn三极管则是利用VBE控制由射极经基极、入射到集电极的电子，图4是二者的比较。经过上面讨论可以看出，三极管的效益可以由在正向活性区时，射极电流中有多少比例可以到达集电极看出，这个比例习惯性定义作希腊字母α         图4pnp三极管与npn三极管在正向活性区的比较。         

8、      而且a一定小于1。效益高的三极管，a可以比0.99大，也就是只有小于1%的射极电流在基极与射极内与基极的主要载体复合，超过99%的射极电流到达集电极！了解正向活性区的工作原理后，三极管在其他偏压方式的工作情形就很容易理解了。表1列出三极管四种工作方式