一、三極管的電流放大原理

晶體三極管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。 而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。

圖一:晶體三極管（NPN）的結(jié)構(gòu)


圖一是NPN管的結(jié)構(gòu)圖，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，從圖可見(jiàn)發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的 PN結(jié)稱(chēng)為集電結(jié),三條引線(xiàn)分別稱(chēng)為發(fā)射極e、基極b和集電極。當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。
???????? 在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正確，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（控穴）很容易地截越過(guò)發(fā)射結(jié)構(gòu)互相向反方各擴(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過(guò)發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱(chēng)為發(fā)射極電流Ie。由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過(guò)集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)紀(jì)念給，從而形成了基極電流Ibo根據(jù)電流連續(xù)性原理得： Ie=Ib+Ic 這就是說(shuō)，在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即： β1=Ic/Ib 式中：β--稱(chēng)為直流放大倍數(shù)， 集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為： β= △Ic/△Ib 式中β--稱(chēng)為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時(shí)β1和β的數(shù)值相差不大，所以有時(shí)為了方便起見(jiàn)，對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分，β值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過(guò)電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?/P>

二、晶體三極管的開(kāi)關(guān)特性

????? 1、靜態(tài)特性

????晶體三極管由集電結(jié)和發(fā)射結(jié)兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。根據(jù)兩個(gè)PN結(jié)的偏置極性，三極管有截止、放大、飽和3種工作狀態(tài)。圖3.5(a)和(b)分別給出了一個(gè)用NPN型共發(fā)射極晶體三極管組成的簡(jiǎn)單電路及其輸出特性曲線(xiàn)。

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???該電路工作特點(diǎn)如下：

????1）． 截止?fàn)顟B(tài) ： ??? uB＜0，兩個(gè)PN結(jié)均為反偏，iB≈0,iC≈0,uCE≈UCC。三極管呈現(xiàn)高阻抗，類(lèi)似于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
????2）． 放大狀態(tài) ：???? uB＞0，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，iC=βiB。
????3）． 飽和狀態(tài) ： ??uB＞0，兩個(gè)PN結(jié)均為正偏，iB≥IBS(基極臨界飽和電流)≈UCC/βRc ,此時(shí)iC=ICS(集電極飽和電流)≈UCC/Rc 。三極管呈現(xiàn)低阻抗，類(lèi)似于開(kāi)關(guān)接通。

????在數(shù)字邏輯電路中，三極管被作為開(kāi)關(guān)元件工作在飽和與截止兩種狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)由基極信號(hào)控制的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，其作用對(duì)應(yīng)于觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的"閉合"與"斷開(kāi)"
。
????圖3.6（a）、（b）給出了圖3.5 所示電路在三極管截止與飽和狀態(tài)下的等效電路。

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????? 2、動(dòng)態(tài)特性

????晶體三極管在飽和與截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中具有的特性稱(chēng)為三極管的動(dòng)態(tài)特性。

????三極管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和二極管一樣，管子內(nèi)部也存在著電荷的建立與消失過(guò)程。因此，飽和與截止兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也需要一定的時(shí)間才能完成。
????假如在圖3.5(a)所示電路的輸入端輸入一個(gè)理想的矩形波電壓，那么，在理想情況下，iC和UCE的波形應(yīng)該如圖3.7(a)所示。但實(shí)際轉(zhuǎn)換過(guò)程中iC和UCE的波形如圖3.7(b)所示，無(wú)論從截止轉(zhuǎn)向?qū)ㄟ€是從導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止都存在一個(gè)逐漸變化的過(guò)程。

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????? 1．開(kāi)通時(shí)間

????開(kāi)通時(shí)間：三極管從截止?fàn)顟B(tài)到飽和狀態(tài)所需要的時(shí)間稱(chēng)為開(kāi)通時(shí)間。
????三極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，空間電荷區(qū)比較寬。當(dāng)輸入信號(hào)ui由-U1跳變到+U2時(shí)，由于發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)仍保持在截止時(shí)的寬度，故發(fā)射區(qū)的電子還不能立即穿過(guò)發(fā)射結(jié)到達(dá)基區(qū)。這時(shí)發(fā)射區(qū)的電子進(jìn)入空間電荷區(qū)，使空間電荷區(qū)變窄，然后發(fā)射區(qū)開(kāi)始向基區(qū)發(fā)射電子，晶體管開(kāi)始導(dǎo)通。這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為延遲時(shí)間td 。
????經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td后，發(fā)射區(qū)不斷向基區(qū)注入電子，電子在基區(qū)積累，并向集電區(qū)擴(kuò)散，形成集電極電流iC。隨著基區(qū)電子濃度的增加，iC不斷增大。iC上升到最大值的90%所需要的時(shí)間稱(chēng)為上升時(shí)間tr。

?????????????????????????開(kāi)通時(shí)間ton =td+tr

????開(kāi)通時(shí)間的長(zhǎng)短取決于晶體管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件。

????? 2．關(guān)閉時(shí)間

????關(guān)閉時(shí)間：三極管從飽和狀態(tài)到截止?fàn)顟B(tài)所需要的時(shí)間稱(chēng)為關(guān)閉時(shí)間。
????進(jìn)入飽和狀態(tài)后，集電極收集電子的能力減弱，過(guò)剩的電子在基區(qū)不斷積累起來(lái)，稱(chēng)為超量存儲(chǔ)電荷，同時(shí)集電區(qū)靠近邊界處也積累起一定的空穴，集電結(jié)處于正向偏置。
????當(dāng)輸入電壓ui由+U2跳變到-U1時(shí)，存儲(chǔ)電荷不能立即消失，而是在反向電壓作用下產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)而形成反向基流，促使超量存儲(chǔ)電荷泄放。在存儲(chǔ)電荷完全消失前，集電極電流維持ICS不變，直至存儲(chǔ)電荷全部消散，晶體管才開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，iC開(kāi)始下降。這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為存儲(chǔ)時(shí)間ts。
????基區(qū)存儲(chǔ)的多余電荷全部消失后，基區(qū)中的電子在反向電壓作用下越來(lái)越少，集電極電流iC也不斷減小，并逐漸接近于零。集電極電流由0.9ICS降至0.1ICS所需的時(shí)間稱(chēng)為下降時(shí)間tf。

??????????????????? 關(guān)閉時(shí)間toff=ts+tf

????同樣，關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短取決于三極管的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用情況。
????開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)閉時(shí)間toff的大小反映了三極管由截止到飽和與從飽和到截止的開(kāi)關(guān)速度，它們是影響電路工作速度的主要因素。