三極管的結構分析
三極管的基本結構是兩個反向連結的PN結面,可有pnp和npn兩種組合。三個接出來的端點依序稱為發射極(emitter,E)、基極(base,B)和集電極(collector,C),名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關。圖中也顯示出npn與pnp三極管的電路符號,發射極特別被標出,箭號所指的極為n型半導體,和二極體的符號一致。在沒接外加偏壓時,兩個pn接面都會形成耗盡區,將中性的p型區和n型區隔開。
pnp和npn三極管的結構及其示意圖三極管的電特性和兩個pn結面的偏壓有關,工作區間也依偏壓方式來分類,這里我們先討論最常用的所謂”正向活性區”(forwardactive),在此區EB極間的pn接面維持在正向偏壓,而BC極間的pn接面則在反向偏壓,通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。為一pnp三極管在此偏壓區的示意圖。EB接面的空乏區由于正向偏壓會變窄,載體看到的位障變小,射極的空穴會注入到基極,基極的電子也會注入到射極;而BC接面的耗盡區則會變寬,載體看到的位障變大,故本身是不導通的。圖2(b)畫的是沒外加偏壓,和偏壓在正向活性區兩種情形下,空穴和電子的電位能的分布圖。三極管和兩個反向相接的pn二極管有什么差別呢?其間最大的不同部分就在于三極管的兩個接面相當接近。
以上述之偏壓在正向活性區之pnp三極管為例,射極的空穴注入基極的n型中性區,馬上被多數載體電子包圍遮蔽,然后朝集電極方向擴散,同時也被電子復合。當沒有被復合的空穴到達BC接面的耗盡區時,會被此區內的電場加速掃入集電極,空穴在集電極中為多數載體,很快藉由漂移電流到達連結外部的歐姆接點,形成集電極電流IC。IC的大小和BC間反向偏壓的大小關系不大?;鶚O外部僅需提供與注入空穴復合部分的電子流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)。InBE在射極與與電洞復合,即InBE=IErec。pnp三極管在正向活性區時主要的電流種類可以清楚地。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控制,和二極體的情形類似,在啟動電壓附近,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,三極管是利用VEB(或VBE)的變化來控制IC,而且提供之IB遠比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控制由射極經基極、入射到集電極的電子。三極管在數字電路中的用途其實就是開關,利用電信號使三極管在正向活性區(或飽和區)與截止區間切換,就開關而言,對應開與關的狀態,就數字電路而言則代表0與1(或1與0)兩個二進位數字。若三極管一直維持偏壓在正向活性區,在發射極與基極間微小的電信號(可以是電壓或電流)變化,會造成射極與集電極間電流相對上很大的變化,故可用作信號放大器。
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