晶体管的电流放大原理

对模拟信号进行处理最基本的操作是放大。在生产实践和科学实验中，从传感器获得的模拟信号通常都很微弱，只有经过放大后才能进一步处理，或者使之具有足够的能量来驱动执行机构，完成特定的工作。放大电路的核心器件是晶体管，晶体管的电流放大作用与晶体管内部PN结的特殊结构有关。

1.晶体管内部PN结的结构

从图6-1和图6-2可见，晶体管犹如两个反向串联的PN结，如果孤立地看待这两个反向串联的PN结，或将两个普通的二极管串联起来组成晶体管，是不可能具有电流的放大作用的。具有电流放大作用的晶体管，PN结内部结构的特殊性如下：

1）为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂溶度远高于基区半导体的掺杂溶度，且发射结的面积较小。

2）发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂溶度要高于集电区的掺杂溶度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电子。

3）联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂溶度也很低。

上述的结构特点使得晶体管具有电流放大的功能，当晶体管的外部条件满足发射极正向偏置，集电结反向偏置时，晶体管就具有电流的放大作用。

放大器是一个有输入和输出端口的四端网络，要将晶体管的三个引脚接成四端网络的电路，必须将晶体管的一个脚作为公共脚。取发射极作为公共脚的放大器称为共发射极放大器，基本共发射极放大器的电路如图6-4所示。

图6-4中的基极和发射极为输入端，集电极和发射极为输出端，发射极是该电路输入和输出的公共端，所以该电路称为共发射极电路。

图6-4中的u_i是要放大的输入信号，u_o是放大以后的输出信号，U_bb是基极电源，该电源的作用是使晶体管的发射结处于正向偏置的状态，U_cc是集电极电源，该电源的作用是使晶体管的集电结处于反向偏置的状态，R_c是集电极电阻。

图6-4 基本共发射极放大电路

2.共发射极电路晶体管内部载流子的运动情况

共发射极电路晶体管内部载流子运动情况的示意图如图6-5所示。图6-5中载流子的运动规律可分为以下的几个过程。

（1）发射区向基区发射电子的过程(www.xing528.com)

发射结处在正向偏置，使发射区的多数载流子（自由电子）不断地通过发射结扩散到基区，即向基区发射电子。与此同时，基区的空穴也会扩散到发射区，由于两者掺杂溶度上的悬殊，形成发射极电流I_e的载流子主要是电子，电流的方向与电子流的方向相反。发射区所发射的电子由电源U_cc的负极来补充。

（2）电子在基区中的扩散与复合的过程

扩散到基区的电子，将有一小部分与基区的空穴复合，同时基极电源U_bb不断地向基区提供空穴，形成基极电流I_b。由于基区掺杂的溶度很低，且很薄，在基区与空穴复合的电子很少，所以基极电流I_b也很小。扩散到基区的电子除了被基区复合掉的一小部分外，大量的电子将在惯性的作用下继续向集电结扩散。

图6-5 晶体管内部载流子运动情况的示意图

（3）集电结收集电子的过程

反向偏置的集电结在阻碍集电区向基区扩散电子的同时，空间电荷区将向基区延伸，因集电结的面积很大，延伸进基区的空间电荷区使基区的厚度进一步变薄，使发射极扩散来的电子更容易在惯性的作用下进入空间电荷区。集电结的空间电荷区，可将发射区扩散进空间电荷区的电子迅速地推向集电极，相当于被集电极所收集。集电极收集到的电子由集电极电源U_cc吸收，形成集电极电流I_c。

3.晶体管的电流分配关系和电流放大系数

根据上面的分析和节点电流定律可得，晶体管三个电极的电流I_e、I_b、I_c之间的关系为

I_e=I_b+I_c （6-1）

晶体管的特殊结构使I_c远大于I_b，令

β称为晶体管的电流放大倍数。它是描述晶体管基极电流对集电极电流控制能力大小的物理量，β大的管子，基极电流对集电极电流控制的能力就大。β是由晶体管的结构来决定的，一个管子做成以后，该管子的β值就确定了。