张飞实战电子:三极管的工作原理--解释深刻-器件知识

一、概念理解1、N型半导体:又称为电子型半导体。在纯净的硅晶体中通过特殊工艺掺入少量的五价元素(如磷、砷、锑等)而形成,其内部自由电子浓度远大于空穴浓度...

  一、概念理解
  1、N型半导体:又称为电子型半导体。在纯净的硅晶体中通过特殊工艺掺入少量的五价元素(如磷、砷、锑等)而形成,其内部自由电子浓度远大于空穴浓度。所以,N半导体内部形成带负电的多数载流子——自由电子,而少数载流子是空穴。N型半导体主要靠自由电子导电。由于自由电子主要由所掺入的杂质提供,所以掺入的五价杂质越多,自由电子的浓度就越高,导电性能就越强。而空穴由热激发形成,环境温度越高,热激发越剧烈。
  2、P型半导体:又称为空穴型半导体。在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼)而形成,其内部空穴浓度远大于自由电子浓度,所以,P型半导体内部形成带正电的多数载流子——空穴,而少数载流子是自由电子。P型半导体主要靠空穴导电。由于空穴主要由所掺入杂质原子提供,掺入三价的杂质越多,空穴的浓度就越高,导电性能就越强。而自由电子是由热激发形成,环境温度越高,热激发越激烈。
  3、PN结及特性:P型和N型半导体接触时,在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散,电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合,载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子,却有内建一个由N区指向P区的内电场。由于内电场是由多子建成,所以达到平衡后,内建电场将阻挡多数载流子的扩散,但不能阻止少数载流子。P区和N区的少数载流子一旦接近PN结,便在内电场的作用下漂移到对方。PN结的单向导电性外加正向电压(正偏):在外电场作用下,多子将向PN结移动,结果使空间电荷区变窄,内电场被削弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移,扩散运动起主要作用。结果,P区的多子空穴将源源不断的流向N区,而N区的多子自由电子亦不断流向P区,这两股载流子的流动就形成了PN结的正向电流。外加反向电压(反偏):在外电场作用下,多子将背离PN结移动,结果使空间电荷区变宽,内电场被增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散,漂移运动起主 要作用。漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反,称为反向电流。因少子浓度很低,反向电流远小于正向电流。当温度一定时,少子浓度一定,反向电流几 乎不随外加电压而变化,故称为反向饱和电流。
  4、扩散和漂移:多数载流子移动时扩散,少数载流子移动时漂移。
  5、复合:电子和空穴相遇就会复合,大量的电子-空穴对复合就形成电流。
  6、空间电荷区:也称耗尽层。在PN结中,由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运动,使PN结中间的部位(P区和N区交界面)产生一个很薄的电荷 区,它就是空间电荷区。在这个区域内,多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗殆尽了,因此,空间电荷区又称为耗尽层。P区一侧呈现负电荷,N区一侧呈现正电荷,因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的内电场。内电场将阻碍多子的扩散,而少子一旦靠近PN结,便在内电场的作用下漂移到上方。PN结正偏时,内电场减弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。PN结反偏时,扩散运动使空间电荷区加宽,内电场增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。
  7、内电场:PN结附近空间电荷区中,方向由N区指向P区的内电场。内电场对多数载流子起隔离作用,而对少数载流子起导通作用。
  8、载流子:可以自由移动的带有电荷的物质微粒,如电子和离子。金属中为电子,半导体中有两种载流子即电子和空穴。
  9、少数载流子:P型半导体地少数载流子是自由电子,N型半导体中是空穴。
  10、二极管:单向导电性。正偏多数载流子可以通过,反偏少数载流子可以通过。反偏时P型半导体和N型半导体不能提供源源不断的少数载流子,所以反偏近似无电流。
  二、三极管的工艺要求及作用
  1、发射区掺杂浓度高:确保发射区中有足够多的多数载流子——电子,当基极电压高于发射极的时候,才有足够多的电子扩散到基极。
  2、基区做得非常薄:可以更好的让基极(P型半导体)中的少数载流子——电子漂移到集电极。
  三、工作条件
  1、集电极电压(Vc)大于基极电压(Vb),基极电压(Vb)稍高于发射极电压(Ve)。即:Vc>Vb>Ve,其中Vb一般高于Ve为0.7V;Vc常见电压比Ve高12V。这样就使得集电结反偏,发射结正偏。
  2、如要取得输出必须加负载电阻。
  四、三极管的工作原理
  见附图
  五、关于三极管的问题
  1、集电极(C极)处于反偏状态,为什么还有电流通过?答:PN结正偏情况下是利于“多数载流子”通过,而反偏则利于“少数载流子”通过,对于基极(B极)来说,它的少数载流子是电子,而当基极电压高于发射极,有电流注入时,发射结正偏导通,发射区向基区扩散大量电子。这些电子在内电场的作用下漂移到C极。从三极管外部看来,电流能通过反偏的集电结,其实,要分清楚“多子”、“少子”的区别。P型半导体的多子是空穴,少子是自由电子;N型半导体的多子是自由电子,少子是空穴。 2、为什么集电极要加上很高的电压?答:电压高能使集电结的内电场更强,作用在少子上的力更大,有利于少子、尤其是从基区漂移到发射区的电子;同时阻止多子的通过。
  3、为什么基区要做得很薄?答:因为少子越贴近内电场,就越容易受其作用漂移到PN结对面。如果做得太厚,那进入基区的电子就不能很好地受内电场的作用,不能很好地漂移到集电区,所以要从生产工艺上把它做得很薄,厚度一般在几个微米至几十个微米。
  4、为什么发射区的掺杂浓度最高?答:发射区掺杂浓度高才有更多的多数载流子,P型半导体中的多子是空穴,而 NPN型半导体的发射区是N型半导体,掺杂浓度高使其有更多的自由电子,这样在 基极和发射极的电压差(基极高于发射极)作用下,才有更多电子扩散到基区。假设发射区的掺杂浓度和基区浓度相同,那么扩散到基区的电子绝大多数会跟基区的 空穴进行复合掉,电流的放大能力下降。
  5、放大倍数β如何确定?答:在生产过程中,控制基区的厚度和各个区的掺杂浓度,就能生产出不同放大倍数β的三极管。
  6、基极(B极)小电流如何控制集电极大电流?答:当基极没有电流的时候,集电结几乎没有电子通过;基极电流慢慢增大时,集电结在正偏电压作用下,多子逐渐激烈地向基区扩散。由于基区掺杂浓度低,扩散 到集电区的多子少,需要外部注入的电流小。发射区掺杂浓度高,扩散到基区的多子多,需要外部注入的电流大。放大倍数跟基区厚度、发射区掺杂浓度成正比。发射极跟基极复合的电子非常少,主要被集电结的内电场拉到集电区,集电极电流近似于发射极电流。外部注入基极电流越大,发射区到基区的电子扩散就越激烈,漂移到集电区的电子也越多。在三极管的外部看来,发射极电流和集电极电流也急剧增大。
7、用两个二极管可否焊接成一个三极管?答:虽然两个二极管能结成一个NPN或PNP型的三极管,但其内部硅晶体的掺杂浓度不同于三极管,再者“基极”没能做得很薄,漂移过“集电结”的少子相当少(不是没有),因此发射极中的载流子几乎不能到达集电结。

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