晶体管的放大作用

晶体管是晶体三极管的简称，又叫半导体三极管，是具有三个电极的半导体器件，其外形如图1。它与电子管一样，具有放大作用和开关特性，但比电子管体积小、重量轻，且有坚固耐震，使用寿命长，可靠，省电等优点。

晶体管的品种规格很多，但就内部结构而言，无论何种晶体管都可看作是一块有两个PN结的半导体单晶体。两个PN结分别叫发射结和集电结，其结合型式有NPN和PNP两种，如图2、图3。NPN型管、PNP型管都可看成是两个反相串接的二极管，晶体管的三个引出端e、b、c分别叫发射极、基极、集电极，图示符号中带箭头的是发射极，箭头方向表示发射极电流的方向，如图2中NPN型管的箭头向外，即表示发射极电流是向外流的。

将NPN型晶体管按图4电路接入，由偏置电源E\(_{b}\)通过串联电阻Rb和R\(_{w}\)降压，在基极和发射极之间加上正向电压Ube，由集电极电源E\(_{c}\)通过电阻Rc，给集电极和发射极之间加上反向电压U\(_{ce}\)，就可进行晶体管放大作用的实验。

调整基极串联电位器R\(_{w}\)，控制基极电流Ib，由串入的微安表监视。在集电极、发射极电路内分别串入毫安表。以监视集电极电流I\(_{c}\)和发射极电流Ie。改变I\(_{b}\)到不同数值，就可得到下表所列各组不同的Ic、I\(_{e}\)数据：

表中数据可说明下列几个结论：

1．从表中第3～7组数据可见，基极电流I\(_{b}\)与集电极电流Ic之和等于发射极电流I\(_{e}\)，即流出管子的总电流Ie等于流进管子的两路电流I\(_{b}\)和Ic，写出关系式为I\(_{e}\)＝Ib＋I\(_{c}\)。

2．由表可见，I\(_{b}\)远小于Ic，所以I\(_{c}\)与Ib的比值远大于1，这个比值叫做晶体管的直流放大系数，以β-表示，即β-=\(\frac{I}{_{c}}\)Ib。例如，第3组数据，I\(_{c}\)=1.09，Ib=0.01，可算得β-＝109。表示式亦可改写成I\(_{c}\)= β-Ib，即表示I\(_{c}\)是Ib的β-倍。这可从表中第3～7组数据中得到验证。

3．表中第1组数据，I\(_{e}\)=0，表示发射极开路时的情况，这时Ic与I\(_{b}\)大小相等、符号相反，三极管变成了由集电结形成的二极管，在反向电压的作用下处于反向饱和状态，产生反向饱和电流Icbo，方向与正向基极电流I\(_{b}\)相反，故以负值表示，如图5a。

4．表中第2组I\(_{b}\)=0,表示基极开路时的精况，这时流过三极管的电流叫集电极——发射极穿透电流Iceo，见图5b。

5．表中还可看出，基极电流的微小变化，就可引起集电极电流较大变化。例如Ib由0.01mA变到0.02mA,I\(_{c}\)就从1.09mA变到1.98mA，这时Ib的变化量△I\(_{b}\)=0.02-0.01=0.01mA，而Ic的变化量△I\(_{c}\)＝1.98－1.09＝0.89mA，两个变化量之比为：

这个比值叫晶体管的交流放大系数，表示晶体管放大作用的大小，以β表示，即β=\(\frac{△I}{_{c}}\)Ib。晶体管的直流β-和交流β，都与半导体材料的性质、管子的结构和制造工艺有关，但从表中也可看出，它们还随工作电流的增大而增大。例如I\(_{b}\)由0.02mA变到0.03mA,Ic由1.98mA变到3.07mA，其β就增大至102了。

从物理意义上说，直流放大系数β-与交流放大系数β是不同的，但当晶体管工作频率不高时，两者相差无几，因而可用测量β-来说明交流β的大小，这就大大简化了测试设备和测试方法。

为了弄清晶体管的放大作用，可将图4实验电路等效为图b示意图。其中发射结加的是正向电压U\(_{be}\)，集电结加的是反向电压，这是晶体管正常工作所必须的电源连接方式。从表面上看，发射区与集电区都是同一类型的半导体，但两者导电率不同，因而在连接时三个管脚不能弄错，以免损毁管子。

电源接通后，发射结在正向电场的作用下，多数载流子（电子）的扩散运动加强。集电结在反向电场作用下，少数载流子（空穴）的漂移运动加强。从发射区扩散到基区的电子，由于基区靠发射区一边电子浓度较大，靠集电区一边电子浓度较小，所以继续向集电区方向扩散；当然，基区的空穴也会越过发射结扩散到发射区。由于电子带负电，空穴带正电，故两者形成的电流方向一致：从基区流向发射区，形成发射极电流I\(_{e}\)。由于在制造时总是使发射区的电子浓度比基区的空穴浓度大得多，因而越过发射结的载流子主要是发射区的电子流。当大量电子注入到基区后，由于基区做得很薄，除一小部分与基区的空穴复合以形成基极电流Ib，大部分在集电结反向电场的作用下，迅速通过基区到达集电极。由于集电结加的反向电压，它所产生的电场阻止集电区的电子向基区扩散，而有利于把从基区扩散来的电子收集到集电区，形成集电极电流I\(_{c}\)，电流方向正好与电子流方向相反。要注意的是在集电结反向电压的作用下，会产生集电区少数载流子（空穴）的漂移，形成集电极反向饱和电流Icbo，其值很小，且与外加电压的大小关系不大，所以叫饱和电流。

从以上分析可以看出，I\(_{c}\)与Ib比较，I\(_{c}\)很大，Ib很小。而且，由于晶体管制成后基区厚度已定，材料也已确定，所以I\(_{c}\)与Ib在相当大的一个范围内总是维持在一定的比例关系上。从环路电流的角度看，例如图6电路中的A点，流入A点的电流必须等于从A点流出的电流，即I\(_{e}\)=Ib+I\(_{c}\)。因而，无论从晶体管内部电流的形成或是从外电路电流关系来看，晶体管很象一个电流分配器，它把Ie按一定比例分配成I\(_{b}\)和Ic，其中I\(_{c}\)始终占绝大部分，Ib仅占很小部分。由于存在这种分配关系，所以只要使I\(_{b}\)略为增加（例如稍为提高发射结正向电压）,Ic就会增加很多，比I\(_{b}\)增加的量大很多倍，其倍数就是电流放大系数β-。晶体管所以能有放大作用，正是利用了这个特点。因此，在基极电路送进一个变化幅度不大的小信号，就会在集电极电路得到一个同样形状但变化幅度大很多倍的大信号，这就是晶体管放大电路的放大作用。

根据晶体管三个电极与输入、输出端的连接方式，其基本放大电路可以归纳为三种。一种是以发射极和基极作为信号输入端，以发射极和集电极作为信号输出端，发射极成为输入、输出端共用的公共端点，这种电路称为共发射极电路，图4实验电路就属此列。还有一种叫共基极电路，以基极作为输入、输出端的公共端。共集电极电路则是以集电极作为输入、输出端的公共端，这种电路输出信号是由发射极引出的，所以也叫射极输出器。

共发射极电路的主要特点是放大倍数大、但高频特性差，因而它特别适用于收音机电路，因为一般中、短波段收音机中的管子工作频率不太高，但管子数量有限，要求放大量较高。（金国钧）