本帖最后由 Jasmines 于 2018-12-25 10:25 编辑
半导体三极管内部结构与放大原理
半导体三极管的管壳里包含些什么？
经过制造加工，把一块完整的半导体变成有不同导电性能的三个导电区，例如两个P型区夹着一个N型区（P—N—P），或两个N型区夹着一个P型区（N—P—N），就做成了半导体三极管的基本部份——管心。在每两个导电区之间都形成一个P—N结。所以无论是哪一种半导体三极管，都含有两个P—N结。按照它们不同的作用，分别叫做“发射结”和“集电结”（见图1）。两个“结”把一块完整的晶体分成三个区。如果两边是空穴导电的P型区，而中间是电子导电的N型区，我们就称它为P—N—P型半导体管；反之如两边是N，中间是P，就叫N—P—N型半导体三极管。半导体三极管的三个区域，按照作用的不同，分别叫做发射区、基区和集电区，它们是半导体三极管的三个电极，分别叫发射极（常用拉丁字母“e”表示，相当于电子管的阴极K）、基极（用“b”表示，相当于栅极G）和集电极（用“c”表示，相当于屏极A）。
半导体三极管的符号如图1（b）所示。上面只是从原理上谈了一下半导体三极管的内部构造，究竟在小小的管壳里装的是些什么东西？怎样才能做成一个P—N—P型的半导体三极管呢？下面就举两种半导体三极管为例来说明。
一种是大家熟悉的低频半导体三极管，如3AX1（旧型号是П6A)等。它是在厚约100微米（百万分之一米）的N型锗片两侧各放一块铟粒，放在模子中加热，使铟熔化入锗中便产生两个P区，它们和N区的交界处各形成一个P—N结，于是就得了P—N—P的管心。把这样制成的三极管的心子，加上支架（图2b），焊上引线，封装在壳内就做成了一个半导体三极管。用这种方法制成的叫合金三极管。图2c是这种三极管剖面的结构示意图。在晶体支架上，镶着一块锗片，晶片上凸起的两个小圆块，一个通发射极，另一个通集电极，晶片本身是基极。基极直接和底座连接，所以它的引线直接焊在底座上，并和外壳相通。
另一种是扩散半导体管，如3AG11（П401）等高频管就是这样构造的。它的制造原理和工艺过程比较复杂，这里就不作详细介绍了。它的结构如图3所示。（a）图表示管心的结构。P型锗片（P型区）是集电极。用扩散法形成的N型区是基极。制造过程中再结晶形成的另一个P型区(小斜线部分)就是发射极。集电极锗片镶在支架上，支架又和底座及外壳连通（见图3b），所以集电极是从底座引出的，和外壳相通。基极和发射极从锗片的上部通过引线引出管外，在经过底座处有玻璃绝缘子作绝缘，以防短路。
上面讲了用合金法和扩散法制成的两种半导体三极管，除此以外，还可以用外延法、生长法等很多种方法制造，这里就不多谈了。如果从P—N结的构造不同来区别，半导体三极管还可以分为点接触型和面接合型两大类。一般常见的都是面结合型的。
晶体三极管为什么有放大作用？
我们知道，在P—N结两端不加电压，电子和空穴的扩散受P—N结位垒电压的阻止，无法继续进行。还知道：加正向电压降低P—N结阻挡层的位垒电压，扩散就能够继续进行；如果加反向电压，将增高位垒电压，扩散就停止。
现在假定在半导体三极管的发射结P—N结加正向电压（P区接电池正极，N区接负极），集电结P—N结加反向电压（如图4），将发生什么样的情况？这时发射结位垒降低，扩散能够进行，于是基区（N区）的电子跑向左边的发射区（P区），发射区的空穴跑向N型区（基区）。如果用Ie空代表从发射结注入基区的空穴电流，用Ie电代表从发射结注入发射区的电子电流，那么从发射结流出的总电流Ie等于两者之和：
Ie=Ie空+Ie电
在实际半导体管中，为了适应需要，人们想法使基区少掺些杂质，所以它的电子远比发射区的空穴少，因此电子电流远小于空穴电流，以至于Ie电可以忽略，这时Ie≈Ie空。这样一来可以明显地看出,发射极的作用就是向基区发射空穴，就好像电子管的阴极是专门发射电子一样。
大量的空穴到达基区之后，由于基区做得很薄，空穴很容易渡越基区跑到集电结的边缘。集电结上加有几伏甚至几十伏的反向电压，这个电压对空穴来说是能帮助空穴进入集电区的。也就是说带正电的空穴一赶到集电结的左边，就受到集电结右边P区的负电压作用，被吸引过去，然后与外电路的电池送来的电子复合，形成集电极电流Ic。
但是，并不是所有扩散到基区的空穴都能被集电极吸引，形成集电极电流。因为在空穴路过基区的时候会和基区（N型区）的多数载流子——电子互相吸引，和电子复合而消失，加以如上所述基区也有少量的电子会跑到发射区去和空穴复合，形成Ie电（其电子流动方向如图中所示，电流方向则与Ib一致），这两种复合都需要由外电路电池供给负电子，所以开胆敢了基极电流Ib，但因为基区很薄（厚度只有万分之一米），空穴穿过基区的时间只有几亿分之一秒，所以复合的数量是很小的，绝大部分空穴都到达集电极，故集电极电流Ic几乎等于发射极的总电流Ie，即：
Ie≈Ic
上面讲的是只加固定电压而未加输入交流信号的情况。在加了输入信号之后（见图5），加到发射结上的电压就等于电池电压Veb和信号电压Vi之和，由于信号电压是不断变化的,发射结上的总电压也就随着信号电压在变动，因而引起发射结阻挡层位垒的高低也作相应的变化。位垒高时，发射极电流Ie小；位垒低时Ie大，也就是发射极电流Ie会随输入电压变化而变化。发射极电流Ie小就说明到达基区的空穴少，穿过基区到达集电结的空穴也就少，结果集电极电流也就小；反之发射极电流Ie大时，集电极电流也会大。再者我们会想像到发射极电流Ie大时，空穴在基区的复合数目也会多些,Ie小时复合也相应的少些，复合电流也是变化的。不过这种变化，由于复合电流本来就很小，和Ie或Ic的变化相比是很小的，可以忽略。如果用Ie变代表发射极电流的变化数量，用Ic变代表集电极电流的变化数量，可以近似地认为：
Ic变≈Le变Ic变／Ie变≈1
若用r代表发射结的交变电阻,R代表负载电阻，我们很容易算出电压放大倍数K。如果用V0表示集电极变化的电流在负载R上产生的输出电压；Vi表示输入电压，那么
由于发射结上加的是正向电压，这个电压变化一点点，流过结的电流就会有很大变化，所以发射结电阻r是很小的，一般只有几十欧姆。大家不是还记得二极管的正向电阻是很小的吗!大家也还知道P—N结反向电阻很大，可达几百千欧，所以集电结的电阻很大，因此负载电阻R也可以用的很大（使阻抗匹配），R一般是几千欧到几十千欧，所以R/r很大，结果K就很大。因此从负载上取出的输出信号电压V0远比输入信号电压Vi大，被放大了很多倍。原来半导体三极管放大信号的道理是这样的！从上面可以得到结论：在半导体三极管的发射结加上正向直流电压，集电结加上负直流电压之后，管内就会形成三种主要电流：发射极电流Ie（相当于电子管的阴极电流Ik）、集电极电流Ic（相当于电子管的屏流Ia）、基极电流Ib（相当于电子管有栅流工作状态时的栅流Ig）；而且Ie≈Ic，Ib很小。发射结所加正向直流电压的作用是控制集电极电流Ic的变化，好比电子管中控制栅极偏压控制屏流变化一样，所以我们叫这个电压为“偏压”；不过由于半导体管实际上是由Ib控制工作的，因此，大家常用固定偏流的概念解释半导体管的放大原理，而采用“偏流”这个名词比较合理。上面谈的是共基极放大电路，即输入输出电路的公共点接基极。一般收音机中用共发射极放大电路比较多，见图6。它也是在发射结加正向偏压,集电极加反向偏压，同样有放大作用，其中各极电流路向如图中箭头所示。这种电路工作原理和共基极电路相同，就不再详细分析了。
实际上在收音机上使用时，合用一个电池来供给发射结和集电结所需的电压，而发射结需要偏压低，所以通过分压器或偏流电阻把电压降到适当的数值，以适应需要。例如在图7的单管收音机电路中,用一个P—N—P型半导体三极管3AX3做低频放大。其中由3伏电池通过R2降压后加到发射极与基极间，相当于图6中的Veb;改变电阻R2的数值，可以改变偏流，也就是使Ib变化，以适合各种管子的需要，好像不同电子管需要不同栅偏压来工作一样。另外3伏电压直接加到集电极与发射极间（相当于图6中的Vb），以供给集电结所需的反向电压?如果是N—P—N型半导体三极管，接成电路时，它的发射结要加负电压，集电结要加正电压；例如在收音机中应用时，把电池的正负端互换一下就行了，其他不变。
图7中，被二极管D检波后的低频信号电流通过C3加至三极管3AX3的基极（b）和发射极（e）之间，当低频信号电流使基极电流产生微小的变化时，集电极电流Ic就会有很大的变化，这一经过放大的变化的信号电流流过耳机就发出了声音。
|
楼主
标题置顶
标题高亮
