如何理解三极管的工作原理

我们该如何理解三极管的工作原理？
三极管是电流控制型元件，通过调节输入电流的大小，可控制输出的电流。因为输出端电流大小与输入端呈β倍的关系，故三极管一般被应用于放大电路中。
三极管的一个重要的特性就是放大。我们可以用现实中的例子来形象的解释这个原理。将三极管看成是一个水坝，电流假设为水流。水坝有两个阀门，一个大阀门(IC)，一个小阀门(IB)。由于大阀门需要很大的力量才能打开，所以不能够直接打开。而打开小阀门需要的力量较小，我们可以直接开启。通过开启小阀门，让通过小阀门的水流去冲击打开大阀门。当小阀门的水流(基极电流)足够大时，大阀门(集电极)被打开，水流(集电极电流)就流出来了。所以大阀门的水流大小是由小阀门控制的。当小阀门的水流不足时，大阀门无法打开，相当于三极管截止。当大阀门已经开至最大，无论怎么增加小阀门的水流也无法增加大阀门的水流时，可以看作是三极管饱和。
 
当然这只是一个形象的说法，要清楚三极管真正的工作原理，我们必须要回归至三极管的背部结构-PN结。要说明PN结如何使三极管工作的，我们还要先回顾一下二极管的原理。下图为二极管PN结导通时的结构示意图。

图1 二极管的导通示意图
 
 
             
图2 载流子的扩散运动                         图3 载流子的漂移运动
 
了解了这些以后，下面说明三极管的原理(NPN型)。三极管的原理图如图4所示。

图4 三极管原理图(NPN型)
 
如果要让三极管工作与放大状态，必须要让集电极反偏，发射极正偏。下面探究集电极电流IC的形成原因。
 
集电极电流I_C的形成
这里基极与集电极相当于一个二极管，在二极管上加反偏电压时，P区与N区的多数载流子会被引向电源方向(对于N区来说电子为多数载流子；对于P区来说空穴为多数载流子)。这时P区与N区的少数载流子在电源与内电场的共同作用下，会穿过PN结形成反向电流。其实这里的电流IC大小与反向偏置电压VC的大小并没有什么关系，VC只是提供了一个反向偏置电压，它的大小对于IC来说影响很小。真正决定I_C大小的是少数载流子的多少。如图5。

图5 集电极反偏时的I_C
 
集电极电流I_C增大的原因
如果想要增加I_C，那么只需要增加少数载流子就可以达到目的了。P区的少数载流子是电子，所以为了向P区(基极)增加少数载流子，就在P区上再加一块N型半导体。在正向偏置电压的作用下，N区(发射极)的电子被注入到P区(基极)中，P区中的空穴移动到N区。基极的少数载流子(电子)，因为发射极的注入而增多了。如图6所示。

图6 发射极的电子注入到基极中
 
虽然基极的电子增多了，但相对来说电子仍是少数载流子。而少数载流子在外加反向偏置电压与内电场的共同作用下，会很容易的通过PN结。所以基极的更多的电子会移动到集电极，而集电极的更多空穴会因为载流子浓度的改变而移动到基极。集电极与基极之间的电流I_C也就变大了。
 

图7 三极管载流子与电流
 
基极电流I_B与集电极电流I_C的关系
整个三极管的电流都是电子从发射极至基极再至集电极的流动。发射极向基极注入电子，电子会被基极的空穴拦截一部分(电子与空穴结合)，这部分形成的电流就是I_B，而剩余到达集电极的电子形成的电流就是I_C。可见I_B与I_C的放大关系是由基极的空穴浓度决定的。基极越薄的话，空穴浓度就低，通过的电子就越多形成的电流IC就越大，放大倍数β也就越大。所以I_B与I_C的放大倍数的根本决定因素就是基极的空穴浓度，也就是三极管的结构。