2-三极管

工作原理

基本结构

晶体三极管：有 NPN、PNP 两种类型。

结构	名称
三个中性区	发射区、基区、集电区
两个 PN 结	发射结（E–B）、集电结（C–B）
三个电极	发射极 E、基极 B、集电极 C

符号箭头：表示发射结正偏时的电流方向，始终由 P 区指向 N 区

内部载流子传输过程

放大模式的偏置

放大模式：发射结正偏，集电结反偏。规定 $V_{BE}=V_B-V_E$、$V_{BC}=V_B-V_C$

类型	发射结正偏	集电结反偏	电位关系
NPN	$V_{BE}>0$	$V_{BC}<0$	$V_C>V_B>V_E$
PNP	$V_{BE}<0$	$V_{BC}>0$	$V_E>V_B>V_C$

特性：正向受控（集电极电流只受正偏发射结电压的控制）

载流子的传输

电流	载流子与运动
$I_{En}$	发射区多子电子扩散，E $\to$ B
$I_{Ep}$	基区多子空穴扩散，B $\to$ E
$I_{Cn1}$	注入基区的非平衡少子电子被集电结收集，B $\to$ C
$I_{Cn2}$	基区原有少子电子漂移，B $\to$ C
$I_{Cp}$	集电区少子空穴漂移，C $\to$ B
$I_{CBO}$	$I_{Cn2}+I_{Cp}$ （集电结的反向饱和电流）

电流关系：

$$I_E=I_C+I_B$$ $$\{\begin{array}{rl}{I}_E& =I_{En}+I_{Ep}\\ I_C& =I_{Cn1}+I_{Cn2}+I_{Cp}=I_{Cn1}+I_{CBO}\\ I_B& =I_{Ep}+\left(I_{En}-I_{Cn1}\right)-I_{CBO}\end{array}$$

正向受控作用：发射结正偏电压控制 $I_{En}$，进而控制 $I_{Cn1}$

寄生电流：$I_{Ep}$、$I_{Cn2}$、$I_{Cp}$ 等不参与正向受控传输（不受电压控制；只能分别产生两个结的电流,不会转化为另一个结的电流）

传输效率与结构特点

共基极电流传输系数：($I_E$ 转换为 $I_{C{n}_1}$ 的能力)

$$\bar{\alpha }=\frac{I_{Cn1}}{I_E}={\eta }_E{\eta }_B$$

$\bar{\alpha }<1$，但接近 $1$。

参数	定义	含义
发射效率 ${\eta }_E$	$I_{En}/I_E$	有用电子电流占 $I_E$ 的比例
基区传输效率 ${\eta }_B$	$I_{Cn1}/I_{En}$	注入电子电流中，被收集的比例

三极管结构特点

为了减小寄生电流，提高 $\bar{\alpha }$ ，保证载流子的传输：

结构特点	作用
发射区掺杂浓度远大于基区	$I_{En}\gg I_{Ep}$，提高 ${\eta }_E$（不对称结）
基区很薄	减少基区复合，提高 ${\eta }_B$
集电结面积大于发射结	有利于完全收集注入的载流子

电流传输方程

三种连接方式

公共端：输入、输出回路共用的电极
集电极不可作为输入；基极不可作为输出
可加输入，输出只取自发射极和集电极

连接方式	公共端	输入端口	输出端口	传输方程
共基极	B	E–B	C–B	$I_C\approx \bar{\alpha }{I}_E$
共发射极	E	B–E	C–E	$I_C\approx \bar{\beta }{I}_B$
共集电极	C	B–C	E–C	$I_E\approx (1+\bar{\beta })I_C$

共基极

输入：E；输出：C

$I_C=I_{cn1}+I_{CBO}=\bar{\alpha }{I}_E+I_{CBO}$，一般二极管的反向饱和电流很小，可简化：

$$I_C=\bar{\alpha }{I}_E+I_{CBO}\approx \bar{\alpha }{I}_E$$

共发射极

输入：B；输出：C

$I_E=I_C+I_B,I_C=\bar{\alpha }{I}_E+I_{CBO}$，得：
$I_C=\frac{\bar{\alpha }}{1-\bar{\alpha }}{I}_B+\frac{1}{1-\bar{\alpha }{I}_{CBO}}=\bar{\beta }{I}_B+I_{CEO}$
通常 $I_{CEO}$ 很小，可简化：
$I_C\approx \bar{\beta }{I}_B$

共发射极电流放大系数：

$$\bar{\beta }=\frac{\bar{\alpha }}{1-\bar{\alpha }},\bar{\alpha }=\frac{\bar{\beta }}{1+\bar{\beta }}$$

由于 $\bar{\alpha }$ 很接近 1，$\bar{\beta }$ 远大于 1

穿透电流 $I_{CEO}$：基极开路（$I_B=0$）时的 $I_C$，$I_{CEO}=\left(1+\bar{\beta }\right)I_{CBO}$

共集电极

输入：B；输出：E

由 $I_E=I_B+I_C$

$$I_E=\left(1+\bar{\beta }\right)I_B+I_{CEO}\approx \left(1+\bar{\beta }\right)I_B$$