（本文以NPN型三極管為例）

前言

相信很多初學電子的朋友，在剛接觸三極管的時候，都很難理解其原理，筆者當初就是如此。雖然知道它的作用是可以用小電流控制大電流——電流放大作用，但對于里面的原理卻一直困惑。在網上找了很多資料，對其原理描述都很模糊。筆者查詢了和三極管相關的半導體資料，對其原理有進一步的認識，想拿出來和各位電子初學者一起學習，同時希望拋磚引玉，學習其他電子愛好者的觀點。

關鍵字：三極管 原理 電子初學者 電子愛好者

一、概念理解

1、N型半導體：又稱為電子型半導體。在純凈的硅晶體中通過特殊工藝摻入少量的五價元素（如磷、砷、銻等）而形成，其內部自由電子濃度遠大于空穴濃度。所以，N半導體內部形成帶負電的多數載流子——自由電子，而少數載流子是空穴。N型半導體主要靠自由電子導電。由于自由電子主要由所摻入的雜質提供，所以摻入的五價雜質越多，自由電子的濃度就越高，導電性能就越強。而空穴由熱激發(fā)形成，環(huán)境溫度越高，熱激發(fā)越劇烈。

2、P型半導體：又稱為空穴型半導體。在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼）而形成，其內部空穴濃度遠大于自由電子濃度，所以，P型半導體內部形成帶正電的多數載流子——空穴，而少數載流子是自由電子。P型半導體主要靠空穴導電。由于空穴主要由所摻入雜質原子提供，摻入三價的雜質越多，空穴的濃度就越高，導電性能就越強。而自由電子是由熱激發(fā)形成，環(huán)境溫度越高，熱激發(fā)越激烈。

3、PN結及特性：P型和N型半導體接觸時，在界面附近空穴從P型半導體向N型半導體擴散，電子從N型半導體向P型半導體擴散?？昭ê碗娮酉嘤龆鴱秃?，載流子消失。因此在界面附近的結區(qū)中有一段距離缺少載流子，卻有內建一個由N區(qū)指向P區(qū)的內電場。由于內電場是由多子建成，所以達到平衡后，內建電場將阻擋多數載流子的擴散，但不能阻止少數載流子。P區(qū)和N區(qū)的少數載流子一旦接近PN結，便在內電場的作用下漂移到對方。

ＰＮ結的單向導電性

外加正向電壓（正偏）：在外電場作用下，多子將向ＰＮ結移動，結果使空間電荷區(qū)變窄，內電場被削弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂移，擴散運動起主要作用。結果，Ｐ區(qū)的多子空穴將源源不斷的流向Ｎ區(qū)，而Ｎ區(qū)的多子自由電子亦不斷流向Ｐ區(qū)，這兩股載流子的流動就形成了ＰＮ結的正向電流。

外加反向電壓（反偏）：在外電場作用下，多子將背離ＰＮ結移動，結果使空間電荷區(qū)變寬，內電場被增強，有利于少子的漂移而不利于多子的擴散，漂移運動起主要作用。漂移運動產生的漂移電流的方向與正向電流相反，稱為反向電流。因少子濃度很低，反向電流遠小于正向電流。當溫度一定時，少子濃度一定，反向電流幾乎不隨外加電壓而變化，故稱為反向飽和電流。

4、擴散和漂移：多數載流子移動時擴散，少數載流子移動時漂移。

5、復合：電子和空穴相遇就會復合，大量的電子-空穴對復合就形成電流。

6、空間電荷區(qū)：也稱耗盡層。在PN結中，由于自由電子的擴散運動和內電場導致的漂移運動，使PN結中間的部位(P區(qū)和N區(qū)交界面)產生一個很薄的電荷區(qū)，它就是空間電荷區(qū)。在這個區(qū)域內，多數載流子已擴散到對方并復合掉了，或者說消耗殆盡了，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。P區(qū)一側呈現負電荷，N區(qū)一側呈現正電荷，因此空間電荷區(qū)出現了方向由N區(qū)指向P區(qū)的內電場。內電場將阻礙多子的擴散，而少子一旦靠近PN結，便在內電場的作用下漂移到對方。PN結正偏時，內電場減弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂移。PN結反偏時，擴散運動使空間電荷區(qū)加寬，內電場增強，有利于少子的漂移而不利于多子的擴散。

7、內電場：PN結附近空間電荷區(qū)中，方向由N區(qū)指向P區(qū)的內電場。內電場對多數載流子起隔離作用，而對少數載流子起導通作用。

8、載流子：可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，如電子和離子。金屬中為電子，半導體中有兩種載流子即電子和空穴。

9、少數載流子：P型半導體地少數載流子是自由電子，N型半導體中是空穴。

10、二極管：單向導電性。正偏多數載流子可以通過，反偏少數載流子可以通過。反偏時P型半導體和N型半導體不能提供源源不斷的少數載流子，所以反偏近似無電流。

二、三極管的工藝要求及作用

1、發(fā)射區(qū)摻雜濃度高：確保發(fā)射區(qū)中有足夠多的多數載流子——電子，當基極電壓高于發(fā)射極的時候，才有足夠多的電子擴散到基極。

2、基區(qū)做得非常?。嚎梢愿玫淖尰鶚O（P型半導體）中的少數載流子——電子漂移到集電極。

三、工作條件

1、集電極電壓（Vc）大于基極電壓（Vb），基極電壓（Vb）稍高于發(fā)射極電壓（Ve）。即：Vc>Vb>Ve，其中Vb一般高于Ve為0.7V；Vc常見電壓比Ve高12V。這樣就使得集電結反偏，發(fā)射結正偏。

2、如要取得輸出必須加負載電阻。

四、三極管的工作原理

圖解如下：

照片名稱：三極管工作原理，所屬相冊：電子
NPN型三極管工作原理圖

五、關于三極管的問題

1、集電極（C極）處于反偏狀態(tài)，為什么還有電流通過？

答：PN結正偏情況下是利于“多數載流子”通過，而反偏則利于“少數載流子”通過，對于基極（B極）來說，它的少數載流子是電子，而當基極電壓高于發(fā)射極，有電流注入時，發(fā)射結正偏導通，發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散大量電子。這些電子在內電場的作用下漂移到C極。從三極管外部看來，電流能通過反偏的集電結，其實，要分清楚“多子”、“少子”的區(qū)別。P型半導體的多子是空穴，少子是自由電子；N型半導體的多子是自由電子，少子是空穴。

2、為什么集電極要加上很高的電壓？

答：電壓高能使集電結的內電場更強，作用在少子上的力更大，有利于少子、尤其是從基區(qū)漂移到發(fā)射區(qū)的電子；同時阻止多子的通過。

3、為什么基區(qū)要做得很??？

答：因為少子越貼近內電場，就越容易受其作用漂移到PN結對面。如果做得太厚，那進入基區(qū)的電子就不能很好地受內電場的作用，不能很好地漂移到集電區(qū)，所以要從生產工藝上把它做得很薄，厚度一般在幾個微米至幾十個微米。

4、為什么發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高？

答：發(fā)射區(qū)摻雜濃度高才有更多的多數載流子，P型半導體中的多子是空穴，而NPN型半導體的發(fā)射區(qū)是N型半導體，摻雜濃度高使其有更多的自由電子，這樣在基極和發(fā)射極的電壓差（基極高于發(fā)射極）作用下，才有更多電子擴散到基區(qū)。假設發(fā)射區(qū)的摻雜濃度和基區(qū)濃度相同，那么擴散到基區(qū)的電子絕大多數會跟基區(qū)的空穴進行復合掉，電流的放大能力下降。

5、放大倍數β如何確定？

答：在生產過程中，控制基區(qū)的厚度和各個區(qū)的摻雜濃度，就能生產出不同放大倍數β的三極管。

6、基極（B極）小電流如何控制集電極大電流？

答：當基極沒有電流的時候，集電結幾乎沒有電子通過；基極電流慢慢增大時，集電結在正偏電壓作用下，多子逐漸激烈地向基區(qū)擴散。由于基區(qū)摻雜濃度低，擴散到集電區(qū)的多子少，需要外部注入的電流小。發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，擴散到基區(qū)的多子多，需要外部注入的電流大。放大倍數跟基區(qū)厚度、發(fā)射區(qū)摻雜濃度成正比。發(fā)射極跟基極復合的電子非常少，主要被集電結的內電場拉到集電區(qū)，集電極電流近似于發(fā)射極電流。外部注入基極電流越大，發(fā)射區(qū)到基區(qū)的電子擴散就越激烈，漂移到集電區(qū)的電子也越多。在三極管的外部看來，發(fā)射極電流和集電極電流也急劇增大。

7、用兩個二極管可否焊接成一個三極管？

答：雖然兩個二極管能結成一個NPN或PNP型的三極管，但其內部硅晶體的摻雜濃度不同于三極管，再者“基極”沒能做得很薄，漂移過“集電結”的少子相當少（不是沒有），因此發(fā)射極中的載流子幾乎不能到達集電結。

六、其它資料請查閱其它網頁或書籍。

以上是筆者對三極管的工作原理的淺釋，適合初學電子基礎的朋友參閱，希望對初學電子的朋友有所幫助。由于筆者閱歷淺和實踐經驗不足，在撰寫的過程難免有疏漏，請各位讀者批評指正