而基区的掺杂浓度最低
发布时间:2019-01-04 06:51

  三极管也称双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT),是一种电流控制电流的半导体器件,具有电流放大作用,其主要作用是把微弱输入信号放大成幅值较大的电信号,是很多常用电子电路的核心元件。

  其中,Q1为NPN管,Q2为PNP管,E极箭头方向代表发射结正向偏置时电流的实际方向,它们对应的基本结构如下图所示:

  由三个相邻互不相同的杂质半导体叠加起来就形成了三极管的基本结构,从三个杂质半导体区域各引出一个电极,我们分别将其称之为发射极(Emitter)、集电极(Collector)、基极(Base),而对应的区域分别称为发射区、集电区、基区,相邻的两个不同类型的杂质半导体将形成PN结,我们把发射区与基区之间的PN结称之为发射结,而把基区与集电区之间的PN结称之为集电结。

  三极管在实际应用中可能有四种工作状态(即放大、截止、饱和及倒置),下面我们以NPN三极管为例详细讲解三极管放大状态的工作原理(PNP是类似的,本文不再赘述):

  话说天下大势,分久必合,合久必分,在这片由三块半导体组成的小区域内,也上演了一部群雄逐鹿中原的三国演义史,我们的故事就发生在如下图所示的这片区域:

  第一目:在这个看似和平的时代,总有一些暗流涌动的势力正在潜伏着,只要时机一到,战争一触即发,其中的基区是小国,同时也是集电区与发射区的共同邻国,为了在这种兵荒马乱的时代夹缝中生存,基区时刻都在集电区与发射区发展自己的暗势力(有分教)!

  NPN三极管由两块N型半导体(发射区与集电区)夹着一块P型半导体(基区),其中,基区很薄且掺杂浓度低(所以多数载流子空穴也少,少数载流子电子就更少了,弱国嘛!),发射区与集电区是都是N型杂质半导体,但发射区的掺杂浓度高很多,兵强马壮,而集电区的面积比发射区面积大,幅员辽阔。

  第二目:黎明刚刚破晓,一支百万大军从发射区大本营出发,浩浩荡荡向北部的基-射边境开进,发射区主帅接到命令:本次出兵的目的是扫平北部各蛮夷部落(尤其是集电区),使其臣服于统治之下!这个计划已经制定了很久了,但一直没有等到时机,直到不久前探子来报:集电区守城主帅命令全城深沟高垒加强防守!机会来了。

  要使NPN管处于放大状态,施加在CE结两端的电压VCE比施加在BE结的电压VBE要大,因此,NPN管三个极的电位大小分别是:VC>

  VB>

  VE,(发射极电位VE为参考电位0V),这样一来,三极管的发射结是正向偏置,而集电结是反向偏置,这就是三极管处于放大状态的基本条件。

  (在电压连接的一瞬间)假设基-射(发射结)偏置电压VBE=5V,而集-射极偏置电压VCE=15V,两个N型半导体与P型半导体形成了两个PN结,BE结(发射结)正向电压偏置而导通将基极电位限制在0.7V(硅管),而集电极电位由于PN结反向偏置截止而为15V(瞬间电位,此时集电极电流还没有),如下图所示:

  好,一切已经就绪,一场战争马上就要开始了,我们来观察一下三极管的内部载流子的流动情况(多数载流子与少数载流子都要同时注意)

  第三目:基区是一个小国家,无论各方面都无法与发射区大国相比,看到百万大军开到也丝毫不含糊,稍微做了抵抗意思意思一下后,就做出了一个英明无比的决策:打开城门投降!很快,发射区的兵力就冲过了基-射边境。

  当发射结外加正向电压VBE(正向偏置)时,由于发射区的掺杂浓度很高(三个区中最高),而基区的掺杂浓度最低,发射区的多数载流子电子将源源不断地穿过发射结扩散到基区(在文章“二极管”中已经提到过:因浓度差而引起载流子由高浓度区域向低浓度区域的转移,称为扩散),形成发射结电子扩散电流IEN(该电流方向与电子运动方向相反);

  与此同时,基区的多数载流子空穴也扩散至发射区,形成空穴扩散电流IEP(该电流方向与IEN相同),很明显,IEP相对于IEN而言很小,然而,革命的力量是不分大小的,我们一定要团结一切可以团结的力量,才能最终不好意思,跑题了!

  第四目:百万大军已经顺利攻占基区城池,势如破竹,由于基区未有多大的抵抗,发射区百分大军基本没有损伤,正所谓“一鼓作气”,因此,主帅命令大军继续北上,然而,谁也没想到,百万大军中有少量的人趁机与基区中人暗中联络部署;

  从发射区扩散到基区的多数载流子电子在基-射边境(发射结)附近浓度最高,离发射结越远(北上)浓度越低,从而形成了一定的电子浓度差,这种浓度差使得扩散到基区的电子继续向集电结方向(北上)扩散。

  在电子扩散的过程中,有一小部分电子与基区的多数载流子空穴复合,从而形成基区电流IBN。前面我们已经说过:基区很薄且掺杂浓度低,因此,电子与空穴复合机会少,基区电流IBN也很小,大多数电子都将被扩散到集-基边境(集电结),如下图所示:

  第五目:正如探子回报,集电区早知发射区有攻打本国的意图,已然吩咐下去将所有城池加宽加固,以防备所有可能的攻击。然而发射区主帅早有准备:既然你要深沟高垒避而不战,我就让你“成于斯,败于斯”,用子之矛攻子之盾。于是乎,大军三更造饭,五更出发。

  由于集电结是反向偏置电压,空间电荷区的内电场被进一步加强(PN结变宽),这样反而对基区扩散到集电结边境的载流子电子有很强的吸引力(电子带负电,同性相斥异性相吸),使它们很快漂移过集电结(我们的文章“二极管”里提到过:电场的吸引或排斥作用引起的载流子移动叫做漂移),从而形成集电极电流ICN(方向与电子漂移方向相反)。

  很明显,ICN=IEN-IBN,因为百万大军一小部分在基区,剩下的大部分在集电区,如下图所示:

  有人问道:发射区的载流子电子都跑到基区与集电区了,后续不就没了电子了吗?乖乖,外面有电源VBE与VCE呀,它可以提供更多源源不断的电子。

  第六目:得益于发射区主帅的奇囊妙计,发射区大军果然顺利攻下了集电区,形成了全境统一的格局,但是集电区的残余势力也乘机混入到基区或发射区中,蛰伏待机,随时可能会跑出来破坏国家统一。

  在多数载流子电子进入到集电区后,集电区(N型)的少数载流子空穴与基区(P型)的少数载流子电子也会产生漂移运动,形成了电流ICBO,而另有一些会跨过基区到达发射区从而形成ICEO,如下图所示:

  ICBO表示集电极-基极反向饱和电流,ICEO表示集电极-发射极反向饱和电流(也统称为穿透电流),它们不受发射结电压VBE控制,也不对电流的放大做出贡献,只取决于温度和少数载流子的浓度,当然是越小越好。在相同条件下,硅管的穿透电流比锗管小,在某些大功率应用场合,还必须外接穿透电流释放电阻,防止穿透电流引起三极管过热而损坏(具体可参考文章“达林顿管”)

  第七目:而事实是:基区鉴于自身的固有境况,一直在发射区与集电区发展暗势力,这次战争就是间接使计,利用发射区决策层使发射区主帅发兵(集电区深沟高垒的情报就是基区传递过去的),借用发射区的兵力来剿灭集电区,也就是说,主动权还是掌握在基区手中,只要控制发射区的施加压力,就可以将发射区的势力为自己所用!好一招“螳螂捕蝉,黄雀在后”

  在三极管的放大状态下,只要控制外加发射结电压VBE,基极电流IB也会随之变化,继而控制发射区的多数载流电子数量,最终也将控制集电极的电流IC。

  从三极管放大的原理上可以看出,所谓的“放大”并不是将基极电流IB放大,只不过是用较小的基极电流IB值来控制较大的集电极电流IC值,从外部电路来看就好像是IB被放大一样,这与“四两拔千斤”也是一个道理。

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