三极管工作原理及典型电路

news2024/11/17 0:38:37

一、三极管的工作原理

三极管，也被称为双极型晶体管或晶体三极管，是一种电流控制元件。主要功能是将微弱的电信号放大成幅度值较大的电信号，工作在饱和区和截止区时同时也被用作无触点开关。
根据结构和工作原理的不同，三极管可以分为NPN型和PNP型两种类型。
在这里插入图片描述

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NPN型三极管由两侧的N型半导体和中间的P型半导体组成。NPN使用B-E电流（IB）控制C-E电流（IC）。正常放大时，E极电位最低，C极电位通常最高，即VC > VB > VE。
PNP型三极管是由两侧的P型半导体和中间的N型半导体组成。PNP使用E-B电流（IB）来控制E-C电流（IC）。在正常放大期间，E极电位最高，而C极电位通常最低，即VC < VB < VE。
二、三极管的三种工作状态
三极管有三种状态：截止状态、放大状态和饱和状态。

①截止状态

当三极管的发射结反偏，集电结反偏时，三极管就会进入截止状态。此时，加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态。

②放大状态

当三极管发射结正偏，集电结反偏时，三极管就会进入放大状态。放大状态下，基极的电流ib变大，集电极的电流ic也会跟着变大，并且ic与ib存在一定比例关系，ic = β ib，β是直流电流放大系数，表示三极管的放大能力。

③饱和状态

当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。
在这里插入图片描述此时，集电极和发射结均正偏。
随着基极电流的增大，集电极电流增大，三极管的工作点逐渐从放大区进入饱和区，在放大区时，Uc>Ub，所以集电结反偏。而饱和的时候，Ic很大,Uc=Ucc-Ic*Rc ，所以Uc很小，Uc<Ub，集电结自然就正偏了。

二、三极管控制电流原理

先看2个关键问题。
1、集电结为何会发生反偏导通并产生Ic；
2、放大状态下集电极电流Ic为什么会只受控于电流Ib而与电压无关；
（一）先看二极管（问题1解释）
在这里插入图片描述
三极管是有两个二极管组成，二极管是由PN结组成。
当PN结正向偏置导通时，P区除了因“掺杂”而产生的多数载流子“空穴”之外，还总是会有极少数的本征载流子“电子”出现。N区也是一样，除了多数载流子电子之外，也会有极少数的载流子空穴存在。
当PN结反偏时，能够正向导电的多数载流子被拉向电源，使PN结变厚，多数载流子不能再通过PN结承担起载流导电的功能。此时，少数载流子承担起载流导电的功能，产生了漏电流。因为少数载流子的数量太少，所以漏电流之很小。
根据上述分析可知,PN结的单项导电性不是绝对的。
（二）再看光敏二极管（问题1解释）
光敏二极管工作在反向电压下，当无光照时，少数载流子的数量很少，电路中反向饱和漏电流也很小，此时相当于光敏二极管截止；
当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子—空穴对，空穴对会使少数载流子的浓度大大提高，使反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。
（三）三极管从产生（问题2解释）
利用光照控制少数载流子的产生数量就可以控制漏电流的大小。
NPN型三极管中的P区的少数载流子是电子，利用用电注入的方法向P区注入电子，也可以实现对反向饱和漏电流的控制。
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上图所示为NPN型三极管原理，是在P区下面再用特殊工艺加一块N型半导体。最下面的发射区N型半导体内电子作为多数载流子大量存在，发射结正偏时，发射区的电子被注入到P区（基区），这样就增加了基区少数载流子“电子”的数量。电子很容易反向穿过处于反偏状态的PN结到达集电区，集电极电流Ic就这样产生了。
因此三极管在放大状态下，集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关，集电极电流Ic主要取决于发射区载流子对基区的发射注入程度。而Vc的作用主要是维持集电结的反偏状态。