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【模拟电子】从放大器说起(三):双极型三极管(ZT)

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最後回覆由XZXZ於2013-9-30提供

1947年12月,贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布喇顿在威廉·肖克利的指导下共同发明了点接触形式的双极性晶体管,从这一天开始整整一个时代拉开了序幕 。


在介绍半导体三极管之前,首先介绍一个半导体技术当中一个非常重要的概念:掺杂。半导体的基本材料硅拥有和同族元素碳类似的结构:最外层有4个电子。当硅组成晶体结构的时候,这些电子被牢牢的束缚在晶体结构之内,需要比较大的能量才能释放出来。当一个外层有5个电子的元素杂质进入这种晶格结构的时候就会有多一个电子不用参与形成化学键,处在自由自在的状态,这样的电子可以很轻易的随着电势的影响而迁徙,成为自由的电子。我们将这种为基础材料注入自由电子的掺杂成为n型掺杂。与此同时,相应的,如果有外层只有3个电子的元素进入了晶格结构,就会在化学键上形成一个空缺,这样的话就形成了一个可以容纳电子的空位,可以捕获经过的电子,这就是P型掺杂。



三级管的基本结构非常简单,由三个掺杂浓度不同的半导体材料组成。以NPN型三极管为例,分别为n++发射极(高浓度的n型掺杂,意味着有大量自由可发射的电子存在),P基极(低浓度p型掺杂表示有少量可以容纳电子的空穴存在),n+集电极(次高浓度的自由电子,可以起导电的作用,以及防止在基极没有电压的时候电流从集电极直接流入到基极)



从结构上可以看出来如果基极上没有足够高的电压,电子没有获得足够高的动能的话是无法从发射极(E)穿越充满着可以捕获电子的空穴的p掺杂基极(B)而到达集电极(C)的。然而一旦我们在基极机上一点电压,让自由电子们先有一个助跑起来它们就可以一鼓作气利用动能冲过P型掺杂当中空穴陷阱的封锁到达最终目的地集电极(C)。但是在此过程当中还是会有电子落入基极的空穴陷阱,从而形成了相对比较微小的基极电流。在特定条件下,穿越过基极的电子的数量和被基极捕获的电子的数量有一个大致恒定的比值,这也就决定了集电极电流和基极电流的比值我们一般称这个值为Beta。


基极与发射极的电压差越大,电子们起跑的速度就越快,单位时间内就有更多的电子有能力穿越P型掺杂封锁,因此双极型三极管可以被看作电压控制的电流源。基极电压和发射极电流的关系一般可以如下表示:


可以看出,发射极电流电流的关系随着VBE的上升称指数增长!好强力的放大能力啊!!可惜不线性啊!!!


于是大家回头一看,不是有个Beta吗,那个不是挺线性的吗?是不是可以将三极管当作电流控制电流的器件来用呢?我们将基极串联一个电阻就可以将电压信号转换为电流信号了(为什么可以这样??大家可以想想基极电压的性质哦)。因此也有很多人将双极性三极管成为电流控制电流型的放大器,这种说法不那么精确但是可以很好的描述这种应用方式。但是需要提到的是根据物理学本质来说双极型三极管还是一个电压控制电流的器件。


说了这么多……终于开始进入正题啦,下一回就可以讲讲实际的放大器了……


啊对了,这个电流真的只收VBE控制吗???实际上也会受到VCE也就是集电极到发射极的电压的影响啦,不过不是那么明显。只受一个主要因素控制的放大器!真是比电子管好了很多啊!!从下图可以看到随着VCE的增加,即使同样的VBE条件下IC还是在微微增大哦。


結果