晶体管的放大功能及工作原理

二极管有两种工作状态：导通和截止；而晶体管有三种工作状态：放大、截止和饱和。要使晶体管处于放大状态，具有电流放大作用，需要满足一定的外部条件，即在电路中晶体管发射结正偏，集电结反偏。利用晶体管的放大作用可将微弱的电信号不失真地放大到需要的数值。

1.晶体管内部载流子的运动

以NPN型晶体管为例说明晶体管的电流放大作用，介绍晶体管处于放大状态下，内部载流子的运动和分配规律。电路如图1-23所示，图中晶体管的发射结正偏，集电结反偏。

图1-23 晶体管内部载流子的运动和分配

（1）发射结正偏向基区注入电子

发射结外加正向电压，发射结正偏，其内电场被大大削弱，有利于多数载流子的扩散运动。发射区大量的多子自由电子向基区扩散，形成了电子电流I_EN。同时，基区的多子空穴也向发射区扩散，形成了空穴电流I_EP。因为发射区的掺杂浓度远远高于基区的掺杂浓度，所以基区中空穴向发射区扩散所形成的空穴电流I_EP非常小，可以忽略不计。发射极电流I_E主要取决于发射区的自由电子向基区扩散而形成的电子电流I_EN。

（2）电子在基区的扩散与复合

由发射区来的多子自由电子注入基区后，在靠近发射结处，自由电子浓度最大，而在靠近集电结处，自由电子浓度较小。在基区中形成了自由电子浓度差，在该浓度差作用下，电子继续向集电结方向扩散。由于基区的多子空穴浓度低，且基区很薄，因而从发射区注入基区的自由电子大多数扩散到了集电结的边缘，只有少量的自由电子与空穴复合，形成了基极复合电流I_BN。为了补充基区因复合而消失的空穴，基极电源V_BB则不断从基区拉走电子，即不断供给基区空穴，形成了基极电流I_B，它基本上等于复合电流I_BN。

（3）集电结反向偏置，集电区收集扩散过来的自由电子

由于集电结反向偏置，外电场与内电场的方向相同，基区中扩散到集电结边沿的自由电子，大多数漂移到集电区。到达集电区的自由电子被电源正极拉走，形成集电极电子电流I_CN。它是集电极电流I_C的主要部分。

此外，集电结反向偏置，促使基区中的少子自由电子向集电区漂移，集电区中的少子空穴向基区漂移，形成集电结的反向饱和电流I_CBO，它是构成I_C和I_B的一部分电流。I_CBO是由热激发的少数载流子形成的，但受温度影响很大，I_CBO随温度的升高而增大。I_CBO的数值很小，硅管的I_CBO比锗管更小，在实际计算时常可忽略。

总之，发射区发射的总电子数=集电区收集的电子数+在基区与空穴复合的电子数，对应于电流关系

I_E≈I_EN=I_CN+I_BN （1-8）

2.晶体管电流分配关系

晶体管三个电极上的电流和内部载流子运动形成的电流之间的关系为

基极电流 I_B=I_BN-I_CBO （1-9）

集电极电流 I_C=I_CN+I_CBO （1-10）

发射极电流 I_E=I_C+I_B （1-11）

将图1-23中的晶体管看作是一个节点，应用基尔霍夫电流定律，也可以得到式（1-11）。

将集电极电子电流I_CN与发射极电流I_E之比定义为BJT共基直流电流放大系数，即

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将式（1-12）代入式（1-10），可得

式（1-13）表明，在BJT共基接法时，输出电流I_C受输入电流I_E控制的电流分配关系。

将集电极电子电流I_CN与基区复合电流I_BN之比定义为BJT共射直流电流放大系数，即

的值一般在几十到几百之间，说明I_CN比I_BN大得多，在共射放大电路中，若I_B稍微变化则输出电流I_C有很大变化，从而实现电流放大作用。

由式（1-14）整理可得

式中，I_CEO是指在基极开路时，穿过反向偏置的集电结和正向偏置的发射结的电流，故称为穿透电流；I_CBO是发射极开路时，经过反向偏置的集电结的反向饱和电流。两者满足如下关系：

I_CEO的数值一般很小，当它可以忽略时，式（1-15）可简化为

式（1-17）说明，晶体管处于放大状态时，其集电极电流I_C是基极电流I_B的倍。一般，则式（1-17）表明了基极电流对集电极电流的控制能力，可实现晶体管的电流放大作用。因此称晶体管为电流控制器件。

BJT共基直流电流放大系数α和共射直流电流放大系数β两者之间存在联系，由式（1-13），式（1-17）和式（1-11）可得

将集电极电流的变化量ΔI_C与基极电流的变化量ΔI_B的比值称为BJT共射交流电流放大系数，用β表示。

一般情况下和β的数值差别很小，因此在分析估算放大电路参数时取。但是，β和β的含义不同，反映了放大电路直流工作（静态工作）状态下，直流电流放大特性；β反映了放大电路交流工作（动态工作）状态下，交流电流放大特性。

将集电极电流的变化量ΔI_C与发射极电流的变化量ΔI_E的比值称为BJT共基交流电流放大系数，用α表示。