三极管电流放大机制分析与优化

图1.57　三极管内部结构图

三极管的基区通常做得很薄（几微米到几十微米），且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则比较高；集电区的面积需要比发射区做得大。这是三极管实现电流放大的内部条件。三极管内部结构图如图1.57所示。

请思考：使用三极管时e和c能不能互换？

图1.58　三极管电流放大的实验电路

为了实现三极管的电流放大作用，还要给三极管各电极加上正确的电压。其发射结须加正向电压（正偏），而集电结须加反向电压（反偏），这是三极管实现电流放大的外部条件。

1.三极管电流放大实验

这里通过实验来验证三极管的电流分配原则。实验电路如图1.58所示。在电路中给三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保证三极管能起到放大作用。改变可调电阻Rb的值，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，电流的方向如图1.58所示。测量结果如表1.7所示。

表1.7　三极管各电极电流的实验测量数据

由实验及测量结果可以得出以下结论。

（1）实验数据中的每一列数据均满足关系：IE＝IB＋IC，此结果符合基尔霍夫电流定律。

（2）每一列数据都有IC≫IB，而且IC和IB的比值近似相等，约等于50。

可见，三极管的集电极电流和基极电流之间满足一定的比例关系，此即三极管的电流放大作用。定义。其中，称为三极管的直流电流放大系数。

（3）对表1.7中任两列数据求IC和IB变化量的比值，结果仍然近似相等，约等于50。

如比较第3列和第4列的数据可得

由此可见，当三极管的基极电流有一个小的变化量（0.02mA）时，在集电极上可以得到一个与基极电流成比例变化的较大电流（0.995mA）。也就是说，三极管可以实现电流的放大及控制作用，因此通常称三极管为电流控制器件。定义。其中，β称为三极管的交流电流放大系数。

一般地，三极管的直流电流和交流电流放大系数的关系为≈β。

（4）从表1.7中可知，当IB＝0（基极开路）时，集电极电流的值很小，称此电流为三极管的穿透电流ICEO。通常穿透电流ICEO越小越好。(www.xing528.com)

2.三极管实现电流分配的过程

图1.59　三极管内部载流子的传输与分配

上述实验结论可以用载流子在三极管内部的运动规律来解释，下面以NPN型三极管为例做详细介绍。三极管内部载流子的传输与分配过程。如图1.59所示。

（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。

由于发射结正向偏置，有利于多数载流子的扩散运动，发射区的多数载流子自由电子不断扩散到基区，并不断从电源补充电子，形成发射极电流IE。同时基区的多数载流子空穴也要扩散到发射区，但由于基区的掺杂浓度很低，空穴的浓度远远低于发射区自由电子的浓度，空穴电流很小，可以忽略不计。

（2）自由电子在基区与空穴的复合形成基极电流IB。

由发射区扩散到基区的电子在发射结处浓度高，而在集电结处浓度低，形成浓度上的差别，因此自由电子在基区将向集电结方向继续扩散。在扩散的过程中，一小部分自由电子与基区的空穴相遇而复合，基区电源不断补充被复合掉的空穴，形成基极电流IB。

由于基区很薄，且杂质浓度低，自由电子在基区与空穴复合的比较少，大部分自由电子能够到达集电结附近。

（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC。

由于集电结反向偏置，可对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，阻止集电区的多数载流子（自由电子）和基区的多数载流子（空穴）向对方区域扩散，但可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的自由电子拉入集电区，从而形成集电极电流IC。从发射区扩散到基区的自由电子，只有一小部分在基区与空穴复合掉，绝大部分被集电区收集。

另外，集电结反偏有利于少数载流子的漂移运动。集电区的少数载流子空穴漂移到基区，基区的少数载流子自由电子漂移到集电区，形成反向电流ICBO。ICBO很小，受温度影响很大，常忽略不计。若不计反向电流ICBO，则有IE＝IB＋IC，即集电极电流与基极电流之和等于发射极电流。

PNP管与NPN管的工作过程类似，它实现电流放大的外部条件同样是发射结正偏、集电结反偏，但所加的电压极性、产生的电流方向等与NPN管刚好相反。

3.结论

（1）三极管实现电流放大的外部条件是：发射结正偏、集电结反偏。

（2）对三极管一般有β≫1，且。

（3）三极管的电流分配及放大关系式为

例题1－6　在图1.30所示的电路中，若测得IB＝0.025 mA，取β＝50，试计算IC和IE的值。

解　IC＝βIB＝50×0.025＝1.25mA

IE＝IC＋IB＝1.25＋0.025＝1.275mA