半導(dǎo)體三極管
半導(dǎo)體三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩個(gè)能相互影響的PN結(jié)，組成一個(gè)PNP（或NPN）結(jié)構(gòu)。中間的N區(qū)（或P區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發(fā)射極E和集電極C，是能起放大、振蕩或開(kāi)關(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。
發(fā)明人
1947年12月23日，美國(guó)新澤西州墨累山的貝爾實(shí)驗(yàn)室里，3位科學(xué)家——巴丁博士、布菜頓博士和肖克萊利博士在緊張而又有條不紊地做著實(shí)驗(yàn)。他們?cè)趯?dǎo)體電路中正在進(jìn)行用半導(dǎo)體晶體管把聲音信號(hào)放大的實(shí)驗(yàn)。3位科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，在他們發(fā)明的器件中通過(guò)的一部分微量電流，竟然可以控制另一部分流過(guò)的大得多的電流，因而產(chǎn)生了放大效應(yīng)。這個(gè)器件，就是在科技史上具有劃時(shí)代意義的成果——晶體管。因它是在圣誕節(jié)前夕發(fā)明的，而且對(duì)人們未來(lái)的生活發(fā)生如此巨大的影響，所以被稱為“獻(xiàn)給世界的圣誕節(jié)禮物”。另外，這3位科學(xué)家因此共同榮獲了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
晶體管促進(jìn)并帶來(lái)了“固態(tài)革命”，進(jìn)而推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。作為主要部件，它及時(shí)、普遍地首先在通訊工具方面得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于晶體管徹底改變了電子線路的結(jié)構(gòu)，集成電路以及大規(guī)模集成電路應(yīng)運(yùn)而生，這樣制造像高速電子計(jì)算機(jī)之類的高精密裝置就變成了現(xiàn)實(shí)。
名稱來(lái)源
由于三極管的結(jié)構(gòu)和外形特征，它有三個(gè)接出來(lái)的端點(diǎn)，所以便被形象的命名為三極管。
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反向連結(jié)的PN結(jié)面，如圖1所示，可有PNP和NPN兩種組合。三個(gè)接出來(lái)的端點(diǎn)依序稱為發(fā)射極（emitter,E）、基極（base,B）和集電極（collector,C），名稱來(lái)源和它們?cè)谌龢O管操作時(shí)的功能有關(guān)。圖中也顯示出 NPN與PNP三極管的電路符號(hào)，發(fā)射極特別被標(biāo)出，箭號(hào)所指的極為n型半導(dǎo)體， 和二極體的符號(hào)一致。在沒(méi)接外加偏壓時(shí)，兩個(gè)pn接面都會(huì)形成耗盡區(qū)，將中性的p型區(qū)和n型區(qū)隔開(kāi)。
pnp和npn三極管的結(jié)構(gòu)及其示意圖
三極管的電特性和兩個(gè)pn結(jié)面的偏壓有關(guān)，工作區(qū)間也依偏壓方式來(lái)分類，這里 我們先討論最常用的所謂”正向活性區(qū)”（forward active），在此區(qū)EB極間的pn結(jié)面維持在正向偏壓，而B(niǎo)C極間的pn結(jié)面則在反向偏壓，通常用作放大器的三極管 都以此方式偏壓。圖2(a）為一PNP三極管在此偏壓區(qū)的示意圖。EB接面的空乏區(qū)由于正向偏壓會(huì)變窄，載體看到的位障變小，射極的空穴會(huì)注入到基極，基極的電子也會(huì)注入到射極；而B(niǎo)C接面的耗盡區(qū)則會(huì)變寬，載體看到的位障變大， 故本身是不導(dǎo)通的。圖2(b）畫的是沒(méi)外加偏壓，和偏壓在正向活性區(qū)兩種情形下，空穴和電子的電位能的分布圖。三極管和兩個(gè)反向相接的pn二極管有什么差別呢？其間******的不同部分就在于三極管的兩個(gè)接面相當(dāng)接近。以上述之偏壓在正向活性區(qū)之PNP三極管為例， 射極的空穴注入基極的n型中性區(qū)，馬上被多數(shù)載體電子包圍遮蔽，然后朝集電極方向擴(kuò)散，同時(shí)也被電子復(fù)合。當(dāng)沒(méi)有被復(fù)合的空穴到達(dá)BC接面的耗盡區(qū)時(shí)，會(huì)被此區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)加速掃入集電極，空穴在集電極中為多數(shù)載體，很快藉由漂移電流到達(dá)連結(jié)外部的歐姆接點(diǎn)，形成集電極電流IC。IC的大小和BC間反向偏壓的大小 關(guān)系不大?；鶚O外部?jī)H需提供與注入空穴復(fù)合部分的電子流IBrec，與由基極注入 射極的電子流InBE（這部分是三極管作用不需要的部分）。InB E在射極與與電 洞復(fù)合，即InB E=IErec。PNP三極管在正向活性區(qū)時(shí)主要的電流種類可以清楚地 在圖3(a）中看出。
3(a)
射極注入基極的空穴流大小是由EB接面間的正向偏壓大小來(lái)控制，和二極體的情形類似，在啟動(dòng)電壓附近，微小的偏壓變化，即可造成很大的注入電流變化。更精確的說(shuō)，三極管是利用VEB（或VBE）的變化來(lái)控制IC，而且提供之IB遠(yuǎn)比IC小。NPN三極管的操作原理和PNP三極管是一樣的，只是偏壓方向，電流方 向均相反，電子和空穴的角色互易。PNP三極管是利用VEB控制由射極經(jīng)基極，入射到集電極的空穴，而NPN三極管則是利用VBE控制由射極經(jīng)基極、入射到集電極的電子。三極管在數(shù)字電路中的用途其實(shí)就是開(kāi)關(guān)，利用電信號(hào)使三極管在正向活性區(qū)（或飽和區(qū)）與截止區(qū)間切換，就開(kāi)關(guān)而言，對(duì)應(yīng)開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，就數(shù)字電路而言則代表0與1（或1與0）兩個(gè)二進(jìn)位數(shù)字。若三極管一直維持偏壓在正向活性區(qū)，在發(fā)射極與基極間微小的電信號(hào)（可以是電壓或電流）變化，會(huì)造成射極與集電極間電流相對(duì)上很大的變化，故可用作信號(hào)放大器。
工作原理
晶體三極管（以下簡(jiǎn)稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。 對(duì)于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。
當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過(guò)發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過(guò)發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過(guò)集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說(shuō)，在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β= △Ic/△Ib。式中β--稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時(shí)β1和β的數(shù)值相差不大，所以有時(shí)為了方便起見(jiàn)，對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分，β值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過(guò)電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?/p>
NPN三極管放大時(shí)管子內(nèi)部的工作原理：
1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子（形成發(fā)射極電流）
發(fā)射結(jié)施加正向電壓且摻雜濃度高，所以發(fā)射區(qū)多數(shù)自由電子越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，發(fā)射區(qū)的自由電子由直流電源補(bǔ)充，從而形成了發(fā)射極電流。（同時(shí)，基區(qū)的多數(shù)載流子也會(huì)擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，成為發(fā)射極電流的一部分。由于基區(qū)很薄，且摻雜濃度較低，因此由基區(qū)多數(shù)空穴形成的電流可以忽略不計(jì)。）
2、自由電子在基區(qū)和空穴復(fù)合，形成基區(qū)電流，并繼續(xù)向集電區(qū)擴(kuò)散
自由電子進(jìn)入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散，被集電結(jié)電場(chǎng)拉入集電區(qū)形成集電極電流。也有很小一部分電子（因?yàn)榛鶇^(qū)很薄）與基區(qū)的空穴復(fù)合（基區(qū)中的空穴由直流電源補(bǔ)充），擴(kuò)散的電子流與復(fù)合電子流之比例決定了三極管的放大能力。
3、集電區(qū)收集自由電子，形成集電極電流
由于集電結(jié)加反向電壓且面積很大，這個(gè)反向電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)將擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）也會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，流向基區(qū)形成反向飽和電流，用Icbo來(lái)表示，其數(shù)值很小，但對(duì)溫度卻異常敏感。
4 三極管工作狀態(tài)
NPN 型,當(dāng)B與E之間電壓Vbe>0.5V時(shí),如果三個(gè)管腳電壓關(guān)系是Vc>Vb>Ve,則會(huì)處?kù)斗糯鬆顟B(tài);如果是Vb>Vc>Ve 則會(huì)處?kù)讹柡蜖顟B(tài)(相當(dāng)於開(kāi)關(guān));如果此時(shí)Ve>Vc則仍會(huì)處?kù)督刂範(fàn)顟B(tài).
PNP 型,當(dāng)B和E之間電壓Veb>0.5V時(shí),如果三個(gè)管腳電壓關(guān)系是Ve>Vb>Vc,則會(huì)處?kù)斗糯鬆顟B(tài);如果是Ve>Vc>Vb則會(huì)處?kù)讹柡蜖顟B(tài)(相當(dāng)於開(kāi)關(guān));如果此時(shí)Vc>Ve則仍會(huì)處?kù)督刂範(fàn)顟B(tài).
注:三極管放大狀態(tài)時(shí),導(dǎo)通能力大小由基極電流Ib決定,因此三極管是電流控制型元件.
主要參數(shù)
特征頻率fT
當(dāng)f= fT時(shí)，三極管完全失去電流放大功能。如果工作頻率大于fT，電路將不正常工作。
工作電壓/電流
用這個(gè)參數(shù)可以指定該管的電壓電流使用范圍。
hFE
電流放大倍數(shù)。
VCEO
集電極發(fā)射極反向擊穿電壓，表示臨界飽和時(shí)的飽和電壓。
PCM
******允許耗散功率。
