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2.2.2 三极管的直流放大特性

1.三极管对直流信号的放大作用

从表 2-5 的测量结果看,当b极电流 I b 变化 0.05mA(0.15mA−0.1mA)时,c极电流 I c 相应变化 2mA(6mA−4mA),e极电流 I e 相应变化 2.05mA(6.15mA−4.1mA)。这表明b极电流有较小变化,就会导致c、e极电流有较大的变化。通俗地讲,从b极送入小电流,被三极管放大后,就能从c、e极输出大电流。

2.三极管放大直流电流的原理

图 2-10 三极管中载流子的运动

图 2-10 中NPN型三极管放大直流电,就是它在偏置电压作用下导通电流表现出来的特性。只要搞清楚三极管内载流子的运动规律,就能知道它放大直流电的原理。

(1)发射区向基区发射电子的过程

图 2-10 中发射结加正向电压后,内部载流子的扩散运动大于漂移运动,发射区电子源源不断地越过发射结运动到基区,形成发射区电子流,即产生e极电流 I e 。产生 I e 的外部原因是发射结加正向偏置电压,内部原因是电子运动。同时,基区空穴扩散到发射区,但空穴浓度比电子浓度小许多,与电子电流相比,空穴电流可以忽略。所以, I e 主要决定于电子运动。

(2)电子在基区扩散与复合的过程

发射区电子到达基区后,靠近发射结的电子很多(密),靠近集电结的电子很少(疏),这就形成电子浓度差别,电子便从发射结向集电结扩散。扩散时,电子会与空穴相遇产生复合。电源E 1 的正电场通过基极不断地使基区产生空穴,去与电子复合,从而形成b极电流 I b

扩散与复合是三极管中载流子运动的两种表现,三极管放大电流的能力就取决于两者的比例。从图 2-10 中不难看出,由于集电极有电源E 2 正极较大电场的作用,电子在从发射区向集电区扩散的过程中,与空穴复合掉的只是一小部分,扩散到集电区的电子占较大部分,因此,b极电流很小,c极电流很大。

另一方面,基区很薄,仅为几微米到几十微米,电子从发射结向集电结运动的距离很短。发射区电子扩散到基区后,大部分被集电区吸收过去,只有少部分在基区与空穴复合。这进一步表明b极电流 I b 很小。

(3)电子被集电极收集的过程

因为基区很薄,所以穿过发射结的电子能很快到达集电结。集电结反向偏置,形成反向电场,一方面阻止集电区电子向基区扩散;另一方面能加强基区电子向集电区漂移运动,从而越过集电结形成c极电流 I c ,如图 2-10 所示。

可见,产生 I c 的外部原因是集电结加反向电压,内部原因是基区电子能漂移过集电结到集电区。前面讨论过,PN结加反向电压不导通电流,为什么集电结加反向电压,却能导通电流呢?

实际上,单纯地给集电结加反向电压并不能使它导通反向电流。例如,图 2-9 中E 2 +→R→c极→b极→RP→E 1 +→E 1 −→E 2 −的闭合电路,集电结是反偏,就未产生 I c 。加反向偏压的目的,只是建立反向电场,加强基区电子向集电区运动的速度,使扩散到集电结边界的电子能全部漂移到集电区形成 I c ,这与单个PN结加反向偏压不导通电流有根本区别。

综上所述,三极管导通电流始终保持 I e = I c + I b ,各极电流方向与电子运动方向相反。电子运动存在两个基本特点。 扩散运动与漂移运动同时存在,这是PN结中载流子运动的普遍情况。利用这个特点,在发射结加正向电压,能使发射区向基区发射电子;在集电结加反向电压,可使基区电子更容易地漂移到集电区。 基区扩散与复合运动同时存在,这是三极管的特殊情况,是三极管与其他半导体器件的本质区别,即三极管具有放大电流的作用。

图 2-11 基区过厚

基区做得很薄,扩散进行容易,复合机会减少,三极管就具有良好的电流放大特性。反之,若基区做得过厚,电子从发射结向集电结扩散的路程很长,复合机会将会大增,甚至复合超过扩散,使e极电流与b极电流相等,这时三极管就成为如图 2-11 所示的两个对接的二极管,表现为二极管特性。

3.三极管放大直流电压的原理

图 2-10 中,E 1 是b极回路电源,E 2 是c极回路电源。发射结正向偏置、集电结反向偏置后,不仅b、c极回路导通电流,三极管还能将b极回路小电流放大为c极回路大电流。

在放大直流电流过程中, I b 从b极输入三极管,b极就叫输入端, I b 叫输入电流,b极回路叫输入回路;放大的电流 I c 从c极输出三极管,c极叫输出端, I c 叫输出电流,c极回路叫输出回路。e极称为输入、输出回路的公共端。

在输入回路中,如改变RP的阻值,就会改变发射结正向电压 U be 。根据发射结(PN结)正向特性可知, U be 只要有很小的变化,将引起 I b 发生较大的变化。 I b 经三极管放大,将产生更大的 I c ,在输出回路电阻R上产生电压 U R IO3gvnkn8FRIOUkWPwp+XpuDUbwDvpmpZXuol4InuKJ/jyC2rW0EGuJ7F/e9Vqpf

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