背靠背的两个二极管,能变成一个三极管么?

文摘   科技   2024-07-25 19:00   浙江  

对于三极管的工作原理,我们首先需要思考一个问题:如果将两个二极管背靠背放置,从中间引出一根信号线加上电压(如下图所示),那它是否能变成一个三极管,导通并具有放大的功能?

很显然,这样的两个二极管组合后并不能变成一个三极管,这与我们日常电路设计的常识相背。

那为什么在特殊结构下就能变成三极管呢?

在分析三极管工作原理之前,我们再来回顾下关于PN结导电机制:PN结正、反偏时,多数载流子和少数载流子充当的角色,决定了PN结的单向导电特性;

1. 正偏时:多数载流子载流导电,电流大

2. 反偏时:少数载流子载流导电,电流小;而此时少数载流子无需抵消PN结的内建电场,反向通过PN结比多数载流子正向通过要容易的多

三极管放大状态工作原理

接下来我们以NPN型三极管为例(PNP原理相同,将“空穴”看成“正电子”)来推导其导电理论,在典型情况下发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度分贝是:10¹⁹ cm³10¹⁷ cm³10¹⁵ cm³,如下图所示。

如下左图所示,正常情况下在BE之间加正电压(0.7V),在BC之间加正电压(放大状态),所以B-E结是正偏,B-C结是反偏的,这种情况称为正向有源模式:

1. 发射结(B-E)正偏,而发射区(E区)掺杂浓度很大,所以大量“自由电子”越过发射结注入基区(B区);

2. 基区(B区)本身非常薄(几um级别),所以在基区的“空穴”不足以将从发射区(E区)涌入进来的大量“自由电子”全部复合,其实绝大部分“自由电子”都不能被基于的空穴捕获

假如放大倍数是100倍,那么有大约1%的“自由电子”被基区捕获。

3. 集电结(B-C)反偏,所以B-C结边界少子——“自由电子”的浓度为0,如下右图所示:大的电子浓度梯度(有载流子浓度的梯度,说明就有载流子运动)表明从发射区(E区)注入的“自由电子”越过基区(B区)扩散到集电结(B-C)的空间电荷区中;

4. 关于集电结(B-C)反偏,我们再换一种解释:由于从发射结越过到基区(B区)非常多的“自由电子”,而对基区来说“自由电子”是少子,当集电结反偏时,基区的少子:“自由电子”就非常容易穿越空间电荷区进入集电区(C),从而打通C-E的电流路径;此时集电极C电流Ic的大小主要取决于发射区E载流子对基区的发射与注入,几乎与集电极C电位的高低没有什么关系

5. 三极管IbIc之间的固定比例关系,主要取决于基极B的构造:

1, 在放大状态下,三极管的电流主要由发射极E经基极B再到集电极C的“自由电子”,电流在穿越基极时会被截流,存在截流比( IbIe)问题;

2, 基极B拦截下来的电流是电流Ib,其余的穿过基极B到达集电极C的电流就是Ic

3, 只要三极管的内部结构确定,电流放大倍数值就确定,是固定不变的(会随IC,温度等变化);因此放大倍数β的值主要与基极B的疏密度(掺杂浓度及厚度)有关:基极B越密(掺杂浓度高)则β值越低(被截留比例越高),基极B越疏(掺杂浓度低)则β值越高(被截留比例越低)

我们看到对于三极管来说,电流传输以B区为界分为两部分:

1. B-E处于正偏状态:由于电流调制效应, “空穴”和“自由电子”均参与了电流传输(双极);

2. B-C处于反偏状态:只有“自由电子”参与了电流传输(单极)。

其它状态工作原理

上述为三极管放大状态的分析,但在饱和状态:B-E结正偏, B-C结正偏;截止状态:B-E结反偏,B-C结反偏;放大状态的理论分析是否还适用呢?

1. NPN三极管工作在截止区时:少子分布如上左图所示,由于B-E结和B-C结均反偏,于是每个空间电荷区边界少子的浓度为0;所以基区(B区)没有少子——“自由电子”,B-C反偏就不可能有电流产生

2. NPN三极管工作在饱和区时:少子分布如上右图所示,由于B-E结和B-C结均正偏,因此每个空间电荷区边界少子的浓度都不为0;由于基区(B区)的少子-“自由电子”的浓度还是存在浓度梯度,所以有“自由电子”从基区(B区)扩散到集电区(C区);

3. 关于饱和区的工作原理,我们用PN结正、反导通理论来解释:由于B-E结和B-C结均正偏,按道理来说,发射区(E区)和集电区(C区)的“自由电子”都会穿越空间电荷区到达基区(B区),所以电流的流向应该是B->EB->C,但实际上并不是这样的,电流方向是C->B->E;那为什么会这样呢?

1, 我们知道PN结的载流子运动分为两个:漂移运动和扩散运动;漂移运动取决于电场而扩散运动取决于载流子浓度梯度;

举个栗子:新家装修后如何最快速度消除甲醛?答案是:开窗通风;因为要制造尽量大的板材与房间空气甲醛浓度差,这样甲醛才能尽快地从板材扩散到空气。

2, 在实际应用中,B-E正偏电压为0.7V,而B-C正偏电压为0.4V左右(Vce = 0.3V);那么B-E正偏电压已足以打通B-E空间电荷区,而B-C正偏电压不足以打通B-C空间电荷区;所以集电区(C区)不会有“自由电子”穿越B-C空间电荷区到达基区(B区);

3, 同时在发射区(E区)不断向基区(B区)注入“自由电子”,其“自由电子”浓度变的非常大,甚至远大于集电区(C区)的“自由电子”浓度,此时平衡被打破:扩散运动大于漂移运动,形成了“自由电子”从基区(B区)到集电区(C区)的电流

还有一种特殊的情况,即如下图所示NPN三极管工作在反向有源模式,此时B-C结正偏,B-E结反偏。此时可以看成三极管的C极和E极接反了,那在这种情况下的三极管还能正常工作么?

“自由电子”从集电区(C区)注入基区(B区),与正向有源模式相比,基区(B区)中少子的电子浓度梯度方向刚好相反;一般来说B-C结面积比B-E结面积要大的多,因此不是所有“自由电子”都能被发射极收集,而且集电区(C区)和发射区(E区)的掺杂浓度也很不相同,所以在反向有源模式下(E极和C极接反的情况下),虽然也能工作,但三极管的特性会完全不同

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