三极管的工作原理

一般三极管设计时，射极的掺杂浓度较基极的高许多，如此由射极注入基极的射极主要载体电洞（也就是基极的少数载体）IpE? B电流会比由基极注入射极 的载体电子电流InB? E大很多，三极管的效益比较高。图3(b)和(c)个别画出电洞和电子的电位能分布及载体注入的情况。同时如果基极中性区的宽度WB愈窄，电洞通过基极的时间愈短，被多数载体电子复合的机率愈低，到达集电极的有效电洞流IpE? C愈大，基极必须提供的复合电子流也降低，三极管的效益也就愈高。 集电极的掺杂通常最低，如此可增大CB极的崩溃电压，并减小BC间反向偏压的pn接面的反向饱和电流，这里我们忽略这个反向饱和电流。
由图4(a)，我们可以把各种电流的关系写下来：
射极电流I_E=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ I_Brec + InB? E (1a)
基极电流IB= InB? E + I_Brec= I_Erec + I_Brec (1b)
集电极电流I_C =IpE? C= I_E - I_Erec - I_Brec= I_E - I_B (1c)
式1c也可以写成
I_E = I_C + I_B

              射极注入基极的电洞流大小是由EB接面间的正向偏压大小来控制，和二极管的情况类似，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V_EB（或V_BE）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，电子和电洞的角色互易。pnp三极管是利用VEB控制由射极经基极、入射到集电极的电洞，而npn三极管则是利用V_BE控制由射极经基极、入射到集电极的电子，图4是二者的比较。经过上面讨论可以看出，三极管的效益可以由在正向活性区时，射极电流中有多少比例可以到达集电极看出，这个比例习惯性定义作希腊字母α

        图4 pnp三极管与npn三极管在正向活性区的比较。

        而且a一定小于1。效益高的三极管，a可以比0.99大，也就是只有小于1%的射极电流在基极与射极内与基极的主要载体复合，超过99%的射极电流到达集电极了解正向活性区的工作原理后，三极管在其他偏压方式的工作情况就很容易理解了。表1列出三极管四种工作方式的名称及对应之BE和BC之pn接面偏压方式。反向活性区(reverse active)是将原来之集电极用作射极，原来的射极当作集电极，但由于原来集电极之掺杂浓度较基极低，正向偏压时由原基极注入到原集电极之载体远较原集电极注入基极的多，效益很差，也就是说和正向活性区相比，提供相同的基极电流，能够开关控制的集电极电流较少，a较小。在饱和区(saturation)，两个接面都是正向偏压，射极和集电极同时将载体注入基极，基极因此堆积很多少数载体，基极复合电流大增，而且射极和集电极的电流抵销，被控制的电流量减小。在截止区(cut off)，BE和BC接面均不导通，各极间只有很小的反向饱和电流，三
极间可视作开路，也就是开关在关的状态。

   表中同时列出了四种工作方式的主要用途。 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。下面在介绍完三极管的电流电压特性后，会再仔细讨论三极管的用途。