PNP、NPN之三極管原理分析

對三極管放大作用的理解，切記一點：能量不會無緣無故的產生，所以，三極管一定不會產生能量。

但三極管厲害的地方在于：它可以通過小電流去控制大電流。放大的原理就在于：通過小的交流輸入，控制大的靜態直流。假設三極管是個大壩，這個大壩奇怪的地方是，有兩個閥門，一個大閥門，一個小閥門。小閥門可以用人力打開，大閥門很重，人力是打不開的，只能通過小閥門的水力打開。

所以，平常的工作流程便是，每當放水的時候，人們就打開小閥門，很小的水流涓涓流出，這涓涓細流沖擊大閥門的開關，大閥門隨之打開，洶涌的江水滔滔流下。

如果不停地改變小閥門開啟的大小，那么大閥門也相應地不停改變，假若能嚴格地按比例改變，那么，完美的控制就完成了。

在這里，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是輸入信號。當然，如果把水流比為電流的話，會更確切，因為三極管畢竟是一個電流控制元件。

如果某一天，天氣很旱，江水沒有了，也就是大的水流那邊是空的。管理員這時候打開了小閥門，盡管小閥門還是一如既往地沖擊大閥門，并使之開啟，但因為沒有水流的存在，所以，并沒有水流出來。這就是三極管中的截止區。

飽和區是一樣的，因為此時江水達到了很大很大的程度，管理員開的閥門大小已經沒用了。如果不開閥門江水就自己沖開了，這就是二極管的擊穿。

在模擬電路中，一般閥門是半開的，通過控制其開啟大小來決定輸出水流的大小。沒有信號的時候，水流也會流，所以，不工作的時候，也會有功耗。而在數字電路中，閥門則處于開或是關兩個狀態。當不工作的時候，閥門是完全關閉的，沒有功耗。

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結構與操作原理

三極管的基本結構是兩個反向連結的pn接面，如圖1所示，可有pnp和npn兩種組合。三個接出來的端點依序稱為射極（emitter, E）、基極（base, B）和集極（collector, C），名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關。圖中也顯示出npn與pnp三極管的電路符號，射極特別被標出，箭號所指的極為n型半導體，和二極體的符號一致。在沒接外加偏壓時，兩個pn接面都會形成耗盡區，將中性的p型區和n型區隔開。

圖1 pnp(a)與npn(b)

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三極管的結構示意圖與電路符號

三極管的電特性和兩個pn接面的偏壓有關，工作區間也依偏壓方式來分類，這里我們先討論最常用的所謂”正向活性區”(forward active)，在此區EB極間的pn接面維持在正向偏壓，而BC極間的pn接面則在反向偏壓，通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。圖2(a)為一pnp三極管在此偏壓區的示意圖。

EB接面的空乏區由于在正向偏壓會變窄，載體看到的位障變小，射極的電洞會注入到基極，基極的電子也會注入到射極；而BC接面的耗盡區則會變寬，載體看到的位障變大，故本身是不導通的。圖2(b)畫的是沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區兩種情形下，電洞和電子的電位能的分布圖。

三極管和兩個反向相接的pn二極管有什么差別呢？其間最大的不同部分就在于三極管的兩個接面相當接近。以上述之偏壓在正向活性區之pnp三極管為例，射極的電洞注入基極的n型中性區，馬上被多數載體電子包圍遮蔽，然后朝集電極方向擴散，同時也被電子復合。當沒有被復合的電洞到達BC接面的耗盡區時，會被此區內的電場加速掃入集電極，電洞在集電極中為多數載體，很快藉由漂移電流到達連結外部的歐姆接點，形成集電極電流IC。

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IC的大小和BC間反向偏壓的大小關系不大

基極外部僅需提供與注入電洞復合部分的電子流IBrec，與由基極注入射極的電子流InB? E（這部分是三極管作用不需要的部分）。

InB? E在射極與與電洞復合，即InB? E=IErec。pnp三極管在正向活性區時主要的電流種類可以清楚地在圖3(a)中看出。

圖2 (a)一pnp三極管偏壓在正向活性區；(b)沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區兩種情形下，電洞和電子的電位能的分布圖比較。

圖3 (a) pnp

三極管在正向活性區時主要的電流種類；(b)電洞電位能分布及注入的情形；(c)電子的電位能分布及注入的情形。

一般三極管設計時，射極的摻雜濃度較基極的高許多，如此由射極注入基極的射極主要載體電洞（也就是基極的少數載體）IpE? B電流會比由基極注入射極的載體

電子電流InB? E大很多，三極管的效益比較高。圖3(b)和(c)個別畫出電洞和電子的電位能分布及載體注入的情形。同時如果基極中性區的寬度WB愈窄，電洞通過基極的時間愈短，被多數載體電子復合的機率愈低，到達集電極的有效電洞流IpE? C愈大，基極必須提供的復合電子流也降低，三極管的效益也就愈高。

集電極的摻雜通常最低，如此可增大CB極的崩潰電壓，并減小BC間反向偏壓的pn接面的反向飽和電流，這里我們忽略這個反向飽和電流。

由圖4(a)，我們可以把各種電流的關系寫下來：射極電流、基極電流、集電極電流。

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