半导体三极管

半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。

三极管的基本结构是两个反向连结的PN结面，如图1所示，可有pnp和npn 两种组合。三个接出来的端点依序称为发射极（emitter,E）、基极（base,B）和集电极（collector,C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 npn与pnp三极管的电路符号，发射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体， 和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中性的p型区和n型区隔开。三极管的电特性和两个pn结面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里 我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”（forward active），在此区EB极间的pn结面维持在正向偏压，而BC极间的pn结面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管 都以此方式偏压。图2(a）为一pnp三极管在此偏压区的示意图。EB接面的空乏区由于正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的空穴会注入到基极，基极的电 子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大， 故本身是不导通的。图2(b）画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形下，空穴和电子的电位能的分布图。三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例， 射极的空穴注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的空穴到达BC接面的耗尽区时，会被此区内的电场加速扫入集电极，空穴在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。IC的大小和BC间反向偏压的大小 关系不大。基极外部仅需提供与注入空穴复合部分的电子流IBrec，与由基极注入 射极的电子流InBE（这部分是三极管作用不需要的部分）。InB E在射极与与电 洞复合，即InB E=IErec。pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地 在图3(a）中看 出。射极注入基极的空穴流大小是由EB接面间的正向偏压大小来控制，和二极体的情形类似，在启动电压附近，微小的偏压变化，即可造成很大的注入电流变化。更精确的说，三极管是利用VEB（或VBE）的变化来控制IC，而且提供之IB远比IC小。npn三极管的操作原理和pnp三极管是一样的，只是偏压方向，电流方 向均相反，电子和空穴的角色互易。pnp三极管是利用VEB控制由射极经基极，入射到集电极的空穴，而npn三极管则是利用VBE控制由射极经基极、入射到集电极的电子。三极管在数字电路中的用途其实就是开关，利用电信号使三极管在正向活性区（或饱和区）与截止区间切换，就开关而言，对应开与关的状态，就数字电路而言则代表0与1（或1与0）两个二进位数字。若三极管一直维持偏压在正向活性区，在发射极与基极间微小的电信号（可以是电压或电流）变化，会造成射极与集电极间电流相对上很大的变化，故可用作信号放大器。

        晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。　对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。　
        当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：β= △Ic/△Ib。式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
        NPN三极管放大时管子内部的工作原理：
        1、发射区向基区发射电子（形成发射极电流）
         发射结施加正向电压且掺杂浓度高，所以发射区多数自由电子越过发射结扩散到基区，发射区的自由电子由直流电源补充，从而形成了发射极电流。（同时，基区的多数载流子也会扩散到发射区，成为发射极电流的一部分。由于基区很薄，且掺杂浓度较低，因此由基区多数空穴形成的电流可以忽略不计。）
        2、自由电子在基区和空穴复合，形成基区电流，并继续向集电区扩散
        自由电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合（基区中的空穴由直流电源补充），扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。　
        3、集电区收集自由电子，形成集电极电流
        由于集电结加反向电压且面积很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。
        4 三极管工作状态
       NPN 型,当B与E之间电压Vbe>0.5V时,如果三个管脚电压关系是Vc>Vb>Ve,则会处於放大状态;如果是Vb>Vc>Ve 则会处於饱和状态(相当於开关);如果此时Ve>Vc则仍会处於截止状态.
        PNP 型,当B和E之间电压Veb>0.5V时,如果三个管脚电压关系是Ve>Vb>Vc,则会处於放大状态;如果是Ve>Vc>Vb则会处於饱和状态(相当於开关);如果此时Vc>Ve则仍会处於截止状态.
        注:三极管放大状态时,导通能力大小由基极电流Ib决定,因此三极管是电流控制型元件.

晶体三极管的种类很多，分类方法也有多种。下面按用途、频率、功率、材料等进行分类。
1）按材料和极性分有硅材料的NPN与PNP三极管，锗材料的NPN与PNP三极管。
2）按用途分有高、中频放大管、低频放大管、低噪声放大管、光电管、开关管、高反压管、达林顿管、带阻尼的三极管等。
3）按功率分有小功率三极管、中功率三极管、大功率三极管。
4）按工作频率分有低频三极管、高频三极管和超高频三极管。
5）按制作工艺分有平面型三极管、合金型三极管、扩散型三极管。
6）按外形封装的不同可分为金属封装三极管、玻璃封装三极管、陶瓷封装三极管、塑料封装三极管等。