三极管的工作原理

对三极管放大作用的理解，切记一点：能量不会无缘无故的产生，所以，三极管一定不会产生能量。
但三极管厉害的地方在于：它可以通过小电流去控制大电流。
放大的原理就在于：通过小的交流输入，控制大的静态直流。
假设三极管是个大坝，这个大坝奇怪的地方是，有两个阀门，一个大阀门，一个小阀门。小阀门可以用人力打开，大阀门很重，人力是打不开的，只能通过小阀门的水力打开。
所以，平常的工作流程便是，每当放水的时候，人们就打开小阀门，很小的水流涓涓流出，这涓涓细流冲击大阀门的开关，大阀门随之打开，汹涌的江水滔滔流下。
如果不停地改变小阀门开启的大小，那么大阀门也相应地不停改变，假若能严格地按比例改变，那么，完美的控制就完成了。
在这里，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是输入信号。当然，如果把水流比为电流的话，会更确切，因为三极管毕竟是一个电流控制元件。
如果某一天，天气很旱，江水没有了，也就是大的水流那边是空的。管理员这时候打开了小阀门，尽管小阀门还是一如既往地冲击大阀门，并使之开启，但因为没有水流的存在，所以，并没有水流出来。这就是三极管中的截止区。
饱和区是一样的，因为此时江水达到了很大很大的程度，管理员开的阀门大小已经没用了。如果不开阀门江水就自己冲开了，这就是二极管的击穿。
在模拟电路中，一般阀门是半开的，通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。没有信号的时候，水流也会流，所以，不工作的时候，也会有功耗。
而在数字电路中，阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候，阀门是完全关闭的，没有功耗。

结构与操作原理
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1 pnp(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”(forward active)，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。
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 基极电流 集电极电流

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