模拟电子技术基础--晶体管放大电路放大作用总结（已完结）

1. 晶体管的结构和类型

一、结构与类型

• 三层两区三极：
  由三层杂质半导体（两层 N 型夹一层 P 型为 NPN 型，两层 P 型夹一层 N 型为 PNP 型）构成，分出发射区、基区、集电区，对应引出发射极（e）、基极（b）、集电极（c）。
  发射区掺杂浓度高，基区薄且掺杂低，集电区面积大，集电极与发射极不可互换。

• PN 结：
  发射区与基区形成发射结，集电区与基区形成集电结。

二、符号与电流方向
图形符号中发射极带箭头：NPN 型箭头向外，PNP 型箭头向里，箭头方向表示发射结正偏时电流方向。

三.分类方式
按结构：NPN 型、PNP 型；
按材料：硅管、锗管；
按工作状态：放大管、开关管；
按频率：高频管、低频管；
按功率：大 / 中 / 小功率管。

晶体管的放大作用

1. 工作状态与放大条件

• 三种状态：放大、截止、饱和（区别于二极管的导通 / 截止）。
• 放大前提：发射结正偏 + 集电结反偏，实现微弱电信号的放大。

以NPN型晶体管为例，处于放大状态的 NPN 型晶体管，内部载流子运动规律如下：（如果你嫌长不想深入了解可以查看下面的总结）

• 发射结正偏向基区注入电子：发射结加正向电压，内电场减弱，利于多数载流子扩散。因发射区掺杂浓度远高于基区，大量自由电子向基区扩散形成电子电流 IEN，基区空穴向发射区扩散形成的空穴电流 IEP 可忽略不计，发射极电流 IE 近似等于 IEN。

• 电子在基区的扩散与复合：注入基区的自由电子因浓度差向集电结方向扩散。由于基区多子空穴浓度低且很薄，多数自由电子能扩散到集电结边缘，仅少量与空穴复合形成基极复合电流 IBN。基极电源 VBB 补充基区复合消失的空穴，形成基极电流 IB，IB 基本等于 IBN。

• 集电结反向偏置，集电区收集扩散过来的自由电子：集电结反偏，外电场与内电场同向。基区扩散到集电结边沿的自由电子多数漂移到集电区，被电源正极拉走形成集电极电子电流 ICN，它是集电极电流 IC 的主要成分。同时，集电结反偏使基区少子自由电子向集电区漂移，集电区少子空穴向基区漂移，形成集电结反向饱和电流 ICBO，其受温度影响大、数值小，硅管的 ICBO 比锗管更小，实际计算常忽略。整体来看，发射区发射总电子数等于集电区收集电子数与基区复合电子数之和，对应电流关系为 IE≈IEN=ICN+IBN 。

总结如下：

1.发射结注入电子：（电子运动方向与电流方向相反）

• 正偏时发射区高浓度自由电子扩散至基区（正偏时内建电场消失），形成电子电流 IEN（主导发射极电流 IE），基区空穴电流 IEP 可忽略。

2.基区扩散与复合：

• 电子因浓度差向集电结扩散，基区薄且空穴少，仅少量电子复合形成基极电流 IB。

3.集电结收集电子：

• 反偏时电子漂移至集电区形成 ICN（IC 主要成分），少子漂移形成 ICBO（受温度影响，计算常忽略）。

电流关系：IE = ICN + IBN ≈ IC + IB（基尔霍夫电流定律）。

2.晶体管电流分配关系

晶体管三个电极上的电流和内部载流子运动形成的电流之间的关系为

基极电流 IB=IBN-ICBO

集电极电流 IC=ICN+ICBO

发射极电流 IE=IC+IB

三极管的三种接线方法的三个系数（优雅讲解）

晶体管的奇妙之处，在于用微小电流撬动大电流，这恰似用杠杆撬动巨石 —— 关键在于 “力臂” 的设计。我们先看两种 “杠杆模式”：

1. 共基极：电流的 “分流天平”（α 系数）
核心公式： \(\alpha = \frac{I_{CN}}{I_E}\)
当发射极电流 \(I_E\) 像水流般涌入晶体管，大部分\(I_{CN}\)会“越过”基区流向集电极(由内建电场形成的反偏漂移力)，只有极小部分\(I_{BN}\)在基区“渗漏”复合。共基直流放大系数 \(\alpha\ = \frac{I_{CN}}{I_E}\)，就像衡量水流分配的“天平”——通常 $\alpha$ 接近1（如0.95~0.99），意味着 \(I_E\) 几乎全部转化为 \(I_{CN}\)，仅极少部分“损耗”在基区。（也就是基区被集电极的强大电场吸引的电子除以发射极向基区的扩散电流）

我再继续总结一下三极管的放大流程，因为发射结是重参杂，多子为自由电子，当发射结正向偏置时，基区空穴为多子（假设为5个），发射结由于是重掺杂自由电子非常多（假设为100个），那由于浓度差而产生的扩散运动导致发射结的100个电子倾巢而出想要与基区的空穴复合，同时又由于此时的电子已经抵达了集电极的边界（ 基区 “极薄”，假设电子扩散路径短，如 “基区宽度” 仅为电子扩散长度的 5%，导致 95% 的电子未复合就到达基区另一侧）
，在集电极内建电场强大的偏移电场力的作用下95个电子被吸引形成电流IC,那么此时的放大倍数就是95/5=19倍=IC/IB。

2. 共发射极：电流的“杠杆支点”（β系数）
   若把基极电流 \(I_B\) 看作“支点力”，集电极电流 (I_C) 就是被撬动的“重物”。共射直流放大系数 \(\beta = \frac{I_{CN}}{I_{BN}}\)，其值在几十到几百间（如100）这也就是上面所讲的“电流放大”的本质。

3. α与β的“数学桥梁”
   从物理本质看，$\alpha\ 和 \beta$ 是同一电流控制现象的不同视角：

• \(\alpha = \frac{I_C}{I_E}\)（共基极下电流分配比例），
• \(\beta = \frac{I_C}{I_B}\)（共射极下电流放大倍数），
  两者通过 \(I_E = I_C + I_B\) 关联，可得 \(\beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}\)。这如同用不同坐标系描述同一运动，本质是电流守恒定律的体现。