三极管的结构和工作特性，简单易懂

今天，我们来认识另一种十分重要的半导体器件：三极管。

生活中，授课、集会、维持秩序等场合需要用到扩音器、音响等设备，这些设备之所以能够放大声音是因为它们都包含放大器，而放大器的核心部件就是三极管。

那三极管究竟是如何放大声音信号的呢？

让我们带着这个问题开始学习三极管的结构。

与二极管类似，三极管也是由PN结构成的，它的内部包含两个PN结，这两个PN结由三片半导体构成。根据这三片半导体排列方式的不同，三极管可以分成NPN型和PNP型。

以NPN型为例，三极管的结构特点可以概括为三极、三区、两结。从三片半导体各引出一个引脚，就是三极，中间为基极B，两边分别为集电极C和发射极E。与三个引脚相连的三片半导体即为“三区”，基区、集电区和发射区。

三个区结构上各有特点，基区最薄，集电区面积最大，发射区掺杂浓度最高。三个区相互结合，在交界处形成两个PN结。基区与集电区交界处称为集电结，基区与发射区交界处称为发射结。

电路中，用字母VT表示三极管，图形符号中的箭头表示发射结导通时的电流方向。由于PN结导通时，电流从P区流向N区，因此，NPN型箭头向外，PNP型箭头向里。

了解了三极管的结构，那它是怎样放大信号的呢？

下面来看三极管的工作特性。

俗话说：人往高处走，水往低处流。电流和水流类似，从高电位流向低电位。

如果用水流类比电流，那么三极管就类似于一个T形水管，水管的三个口相当于三极管的三个极，对应集电极和基极位置上有控制出水量大小的联动阀门。小阀门靠水流冲击打开，大阀门在联动杆的带动下动作，三个极的电流就相当于水管三个口流过的水流。

当有水流冲击小阀门时，在联动杆的带动下大阀门也打开，较大水流流下，最终大小水流在下端汇聚流出。如果增大小阀门处的水流，大阀门开启角度也增大，水管下端流出的水流也就越多。小阀门处较小的水流流入，最终在下端有较大的水流流出，这就是放大状态。

在此过程中，要使基极电流流向发射极，发射结必须要正偏，要使集电极电流受基极电流控制，集电结需要反偏。因此，在这个条件下三个极电位应满足VC＞VB＞VE。

当发射结反偏，或发射结电压小于导通电压时，这就相当于小阀门处的水流很微弱不足以推动阀门打开，自然也就没有电流输出，这种状态称为截止状态。

三极管能放大电流，但这种放大能力也不是无限制的。当基极电流增大，集电极电流不再随之增大时，三极管就进入了饱和状态。

这就好比大阀门已经全部打开，此时，即使小阀门处的水流继续增大，上水口流入的水流量也不再增大。

饱和状态下，三极管的发射结正偏，集电结正偏，三个极电位满足VB＞VC＞VE。

了解了三极管的三种工作状态，这对我们实际应用有何指导意义呢？

下面我们来分析三极管输出特性曲线图。

当三极管截止时，IC很小，集-射极间电压近似等于电源电压，相当于开路，三极管可看作一个断开的开关。

当三极管饱和时，IC很大，集-射极间电压很小，相当于短路，三极管可看作一个闭合的开关。

放大区内，当基极电流IB为20uA输入时，集电极电流IC输出约为10mA，并且IB每增加20uA，IC也相应增加10mA左右，说明此区域内三极管能够放大电流。

因此，三极管可以作为开关器件和放大器件使用。作为开关器件使用时，三极管工作在截止区、饱和区。作为放大器件使用时，三极管工作在放大区。

放大，是三极管十分常见的一种应用，如何衡量三极管的放大能力呢？

下面我们来研究三极管的电流放大作用。

首先做个实验，在仿真软件中，按图连接电路，调节电位器，观察三个极的电流。

进入仿真，调节电位器RP1，观察电流，IB从13.101uA增加至15.321uA，IC从2.645mA增加至3.089mA。说明三极管用一个微小的基极电流变化量控制了较大的集电极电流变化量。

这就是三极管放大的实质。

利用该仿真电路，不断调节电位器，我们可以得到一系列电流的测量值。纵向观察一下，发现规律了吗？

对，在放大状态下，发射极电流等于基极电流与集电极电流之和，即IE=IB+ IC。这就是三极管电流分配关系。

由于基极电流很小，发射极电流近似等于集电极电流即IE≈ IC。

那三极管能把电流放大多少倍呢？

用输出的集电极电流0.56mA除以输入的基极电流0.01mA等于56，三极管可以将基极电流IB放大56倍。依次类推，得到其他组电流放大倍数。对比发现，各组数值相近。

这说明放大状态下，三极管的放大能力是一个固定值，称为直流放大系数，等于集电极电流与基极电流之比。

三极管不仅能放大直流电流，还能放大交流信号。集电极电流与基极电流的变化量的比值称为交流放大系数。

在工程中，交直流放大系数近似相等。

放大系数表明了三极管的放大能力。放大系数太小，放大能力较差。放大系数太大，电路工作不稳定。因此使用中需要合理选择，一般我们选择放大系数在30-100这个范围内。

现在我们就可以回答声音是如何被放大的这个问题了！

音响设备中的功率放大器就是利用两个参数完全相同的NPN和PNP型对管，构成互补对称电路。经过不断的电流放大，实现功率放大，从而推动扬声器发出声响。

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