晶体三极管为什么能放大？

和电子三极管一样，晶体三极管的基本功能是能起放大作用，因而能在各种各样的电子设备中代替电子管的工作。

晶体三极管的结构示意图如图1所示。象一块夹馅饼干一样，在两个P型半导体区域的中间夹有薄薄的一层N型半导体，这三个区域就分别作为三极管的三个电极。当外电路中接上适当的电压后，左面的P型层能向中间的N型层发射载流子空穴，因而叫做发射极（e），它相当于电子管中发射电子的阴极。右边的P型层能收集发射极发射到N型层中的空穴，因而叫做集电极（c），它相当于电子管中收集电子的屏极。中间的N型层叫做基极（b），它能控制发射极向基极发射载流子的多少，和电子管中的控制栅极作用相当。基极非常薄，厚度不超过0.1毫米，其中掺的杂质很少，电子的密度很小。发射极和集电极虽然都是P型半导体，但它们内部所掺杂质的浓度不同，发射极中空穴的密度远大于集电极中的空穴密度。所以它们是不能对调使用的。

晶体三极管可以看成是由两个PN结组合而成。发射极与基极组成的PN结叫做发射结，简称e结。集电极与基极组成的PN结叫做集电结，简称c结，如图2所示。e结两端接一个很小的（不超过1伏的）正向直流电压Ee，也就是说，P端接电源正极而N端接电源负极。c结两端接一个较大的（几伏到几十伏的）反向直流电压Ec，即P端接电源负极，N端接电源正极。

因为e结上加的是正向电压，e结阻挡层中不能参加导电的正负离子减少，阻挡层变薄，相当于电阻减小。因此发射极中的多数载流子，即带正电荷的空穴，就很容易向空穴非常少的基极扩散，注入（发射）到基极中去，如图2中的1。空穴由发射极注入基极，就好象电子管中的电子从阴极发射出来一样。

由于空穴的注入，基极中靠近e结的区域空穴密度增大，靠近c结的区域空穴密度则较小，因而空穴就向c结边缘扩散（图2中的2）。c结加有较大的反向电压Ec，所以c结阻挡层中右边有很多的负离子，左边有很多的正离子（见图2），形成一个很强的电场。基极中的空穴一扩散到c结边缘，就立刻受到这个电场的加速，很快地穿过c结到达集电极中，如图2中的3。到达集电极的空穴碰到来自外电路的电子（图2中的4），就被这个电子填满，电子空穴同时消失，这种现象叫做复合（图2中的5）。这样，集电极就收集了一个空穴，同时从外电路吸收一个电子（相当于向外电路送出一个正电荷）。这就象电子管的屏极吸收了来自阴极的电子并送到外电路去一样。由于空穴不断地由发射极注入基极，被集电极吸收并和集电极外电路送入的电子复合，就在集电极电路中形成了电流ic，这个电流称为集电极电流。

但是，并不是发射极中所产生的空穴都能注入基极并被集电极吸收的。

第一，由于e结上加有正向电压，所以基极中的多数载流子（电子）也将扩散到发射极中去（图2中的6），和发射极中的空穴复合（图2中的7），从而使一部分空穴在发射极中就消失掉了。但是，我们前面已经说过，在制造晶体管时，基极N型半导体中掺的杂质很少，其中的多数载流子（电子）的密度要比发射极中的空穴密度小很多，所以由基极扩散到发射极的电子，远小于由发射极注入基极的空穴（只有它的1100左右）。

第二，由发射极注入基极的空穴在向e结扩散时，也会有一部分和基极中的电子复合而消失掉（图2中的8）。但是由于基极很薄，空穴很快就可以扩散到集电结去，同时基极中的电子浓度很小，所以这种复合的机会也是很小的。注入基极的空穴只有百分之几和基极中的电子复合。

基极中的电子和空穴复合而消失，或者是扩散到发射极以后和发射极中的空穴复合而消失，都是靠基极处电路中输入电子来补充的，因而在基极外电路中形成了基极电流i\(_{b}\)。

由此可见，在外电源E\(_{e}\)的作用下，发射极不断地产生电子和空穴对，产生的电子被电源Ee吸入外电路，构成了发射极电流i\(_{e}\)。产生的空穴大部分注入基极并通过c结被集电极吸收，形成集电极电流ic；极小部分空穴和基极扩散到发射极的电子复合，或注入基极后和基极中的电子复合，形成基极电流i\(_{b}\)。因此。

由于i\(_{b}\)约为ie的百分之几，所以i\(_{c}\)很接近ie，约为i\(_{e}\)的百分之九十几。这种情况如图3所示。

上面所说的只是晶体三极管中载流子运动的粗略情况，为的是说明它的放大原理。至于和放大作用关系不大的其它细节，我们在这里就略去不谈了。

由前面的分析可以看到，集电极电流i\(_{c}\)主要决定于发射极注入基极并扩散到集电极的空穴，或者粗略地说，是决定于发射极电流ie的大小。i\(_{e}\)大，ic就大；i\(_{e}\)小，ic就小。集电极电流i\(_{c}\)和集电极所加电压的关系很小，因为不论集电极上所加的反向电压是大是小，集电结阻挡层中总是左边是正离子，右边是负离子，虽然阻挡层厚度和离子数目有些变化，但这是不关紧要的。基极中的空穴只要扩散到集电结边缘，都能受到加速，顺利地穿过c结到达集电板，形成集电极电流。由此可见，集电极电流主要是由发射极电流来控制，就好象电子管中的屏流主要是由栅极电压来控制一样。

我们知道，发射结加的是正向电压E\(_{e}\)，它的阻挡层很薄，电阻很小。因此，如图4所示，电压Ee增加一个很小的效值ΔE\(_{e}\)（读作增量Ee）就可以使发射极电流i\(_{e}\)发生一定的变化Δie，也就是说，使发射极中的空穴增加一定的数目。如前面所说的，这些增加的空穴绝大部分是注入基极并被集电极所吸收，所以集电极的电流也增加了Δi\(_{c}\)，而Δic差不多等于Δi\(_{e}\)（为Δie的百分之九十几）。另一方面，集电结上所加的反向电压E\(_{c}\)是很高的，并且在集电极电路中可以加上一个很大的电阻R，因而Δic可以在电阻R上产生一个很大的电压变化Δi\(_{c}\)R。由此可见，发射极电流很小的变化Δie就可以在集电极电路的电阻R上产生很大的电压变化，而Δi\(_{e}\)是由很小的发射极电压变化ΔEe引起的。所以归根到底，发射极电路中很小的电压变化ΔE\(_{e}\)就在集电极电路中引起了很大的电压变化ΔicR，也就是说，晶体三体管起了放大作用。

用晶体三极管来放大交流信号的原理图如图5所示。将要放大的信号电压U\(_{eb}\)加到发射极电路中，将负载电阻RH加到集电极电路中。因而发射极电路成为输入电路，而集电极电路成为输出电路。交流电压U\(_{eb}\)迭加在Ee上，使得发射极对基极的电压不断变化，因而在输入电路中引起一个交流电流I\(_{e}\)，也就是发射极中的空穴数随着信号电压而变化。这样，注入基极并到达集电极的空穴数也起了相应的变化，在集电极电路中引起了交流输出电流Ic（如前所述，I\(_{c}\)为Ie的百分之九十几），I\(_{c}\)在负载电阻RH上产生一个电压I\(_{c}\)RH，这就是输出电压。

输出电流I\(_{c}\)和输入电流Ie的比称为电流放大系救α：

由此可见，在这个电路中，电流没有得到放大，反而稍微减小了一些。

再看输出电压和输入电压之比，即电压放大系数K：

式中r\(_{e}\)是e结阻挡层的电阻。很明显，Ueb=I\(_{e}\)re，因为在发射极所加的电压大部分是降落在e结阻挡层上的。

因为e结所加的是正向电压，所以e结的电阻r\(_{e}\)很小，约为数百欧姆。RH则可以取得很大（例如几万欧姆）而不影响I\(_{c}\)的变化。因为RH／r\(_{e}\)的比值很大，所以可以得到很大的电压放大系数K，实用中可以达到几百倍。

最后，功率放大系数

所以晶体三极管也可以将功率放大几百倍。

在前面所说的晶体三极管电路中，是把发射极电路作为输入电路，集电极电路作为输出电路，而把基极作为输入和输出电路的公共端点。这种电路称为共基极电路。如果把发射极作为公共端点，将输入信号接到基极和发射极之间，把负载电阻接到集电极和发射极之间来得到输出信号，如图6所示，也可以得到放大作用。这种电路叫做共发射极电路。在这种电路中，同样需要在e结加以正向电压，在C结上加以反向电压。由图可见，E\(_{be}\)的正端接发射极，负端接基极。Ece的负极接集电极，而正极通过E\(_{be}\)接基极。因为Ece是几十伏，而E\(_{ba}\)不到1伏，所以加到C结的电压Ece—E\(_{be}\)仍是反向电压。

当在输入电路中加有交流信号电压U\(_{be}\)时，发射极交流电流为Ie，到达集电极的交流电流为I\(_{c}\)，而到达基极的交变电流为Ib。但是，由于这时发射极是输入和输出电路的公共端，所以输入电流不再是I\(_{c}\)而是Ib了。I\(_{e}\)=Ic＋I\(_{b}\)，既然Ic是I\(_{e}\)的百分之九十几，例如95％，那末，Ib只有I\(_{e}\)的5％。如果说，在共基极电路中，电流放大系数

是小于1的，那末，在共发射极电路中，电流放大系数

由此可见，共发射极电路是有电流放大作用的。β的数值一般可以达到几十。

共发射极电路的输出电路中，也同样可以接入较大的负载电阻R\(_{H}\)，因此可以产生比信号电压Ube大很多倍的输出电压I\(_{c}\)RH，所以这种电路具有电压放大作用。由于它既有电流放大作用，又有电压放大作用，所以它的功率放大要比前述共基极电路大得多。

此外，还有一种共集电极电路。是在基极和集电极之间加上输入信号，而在发射极和集电极之间取得输出信号。由于这种电路用得比较少，在这里就不详细介绍了。

前面所讲的晶体三极管，是两个P型半导体夹着一个N型半导体。这种三极管叫做PNP型三极管（图7a）。但是，也可以做成两个N型半导体夹着一个P型半导体的晶体三极管（图7b），把中间的P型层作为基极，而把两边的N型层分别作为发射极和集电极。这种二极管叫做NPN型三极管。NPN型三极管的作用原理和PNP型的完全相似，也是在发射结接正向电压，集电结接反向电压。不过由于NPN型和PNP型三极管的内部结构刚好相反，所以外加的正向及反向电压也刚好和PNP型三极管的情况相反，即发射极接负电压。集电极接正电压。和PNP型三极管不同，NPN型三极管及射极中的多数载流子是电子，因而注入基极并被集电极吸收的也是电子，而不是空穴。

晶体三极管在电路图中的代表符号如图8所示。图8a代表PNP型三极管，发射极的箭头向内表示空穴注入，即正电荷注入。图8b代表NPN型三极管，发射极的箭头向外表示正电荷流出，也就是电子注入。（李华金）