圖解三極管的工作原理

圖解三極管的工作原理對三極管放大作用的理解，切記一點：能量不會無緣無故的產生，所以，三極管一定不會產生能量。但三極管厲害的地方在于：它可以通過小電流去控制大電流。放大的原理就在于：通過小的交流輸入，控制大的靜態(tài)直流。假設三極管是個大壩，這個大壩奇怪的地方是，有兩個閥門，一個大閥門，一個小閥門。小閥門可以用人力打開，大閥門很重，人力是打不開的，只能通過小閥門的水力打開。所以，平常的工作流程便是，每當放水的時候，人們就打開小閥門，很小的水流涓涓流出，這涓涓細流沖擊大閥門的開關，大閥門隨之打開，洶涌的江水滔滔流下。如果不停地改變小閥門開啟的大小，那么大閥門也相應地不停改變，假若能嚴格地按比例改變，那么，完美的控制就完成了。在這里，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是輸入信號。當然，如果把水流比為電流的話，會更確切，因為三極管畢竟是一個電流控制元件。如果某一天，天氣很旱，江水沒有了，也就是大的水流那邊是空的。管理員這時候打開了小閥門，盡管小閥門還是一如既往地沖擊大閥門，并使之開啟，但因為沒有水流的存在，所以，并沒有水流出來。這就是三極管中的截止區(qū)。飽和區(qū)是一樣的，因為此時江水達到了很大很大的程度，管理員開的閥門大小已經沒用了。如果不開閥門江水就自己沖開了，這就是二極管的擊穿。在模擬電路中，一般閥門是半開的，通過控制其開啟大小來決定輸出水流的大小。沒有信號的時候，水流也會流，所以，不工作的時候，也會有功耗。而在數(shù)字電路中，閥門則處于開或是關兩個狀態(tài)。當不工作的時候，閥門是完全關閉的，沒有功耗。結構與操作原理三極管的基本結構是兩個反向連結的pn接面，如圖1所示，可有pnp和npn兩種組合。三個接出來的端點依序稱為射極(emitter,E)、基極(base,B)和集極(collector,C)，名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關。圖中也顯示出npn與pnp三極管的電路符號，射極特別被標出，箭號所指的極為n型半導體，和二極體的符號一致。在沒接外加偏壓時，兩個pn接面都會形成耗盡區(qū)，將中性的p型區(qū)和n型區(qū)隔開。圖1pnp(a)與npn(b)三極管的結構示意圖與電路符號。三極管的電特性和兩個pn接面的偏壓有關，工作區(qū)間也依偏壓方式來分類，這里我們先討論最常用的所謂”正向活性區(qū)”forwardactive)，在此區(qū)EB極間的pn接面維持在正向偏壓，而BC極間的pn接面則在反向偏壓，通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。圖2(a)為一pnp三極管在此偏壓區(qū)的示意圖。EB接面的空乏區(qū)由于在正向偏壓會變窄，載體看到的位障變小，射極的電洞會注入到基極，基極的電子也會注入到射極；而BC接面的耗盡區(qū)則會變寬，載體看到的位障變大，故本身是不導通的。圖2(b)畫的是沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區(qū)兩種情形下，電洞和電子的電位能的分布圖。三極管和兩個反向相接的pn二極管有什么差別呢？其間最大的不同部分就在于三極管的兩個接面相當接近。以上述之偏壓在正向活性區(qū)之pnp三極管為例，射極的電洞注入基極的n型中性區(qū)，馬上被多數(shù)載體電子包圍遮蔽，然后朝集電極方向擴散，同時也被電子復合。當沒有被復合的電洞到達BC接面的耗盡區(qū)時，會被此區(qū)內的電場加速掃入集電極，電洞在集電極中為多數(shù)載體，很快藉由漂移電流到達連結外部的歐姆接點，形成集電極電流IC。IC的大小和BC間反向偏壓的大小關系不大?；鶚O外部僅需提供與注入電洞復合部分的電子流IBrec，與由基極注入射極的電子流InB?E（這部分是三極管作用不需要的部分）。InB?E在射極與與電洞復合，即InB?E=IErec。pnp三極管在正向活性區(qū)時主要的電流種類可以清楚地在圖3（a）中看出。圖2（a）—pnp三極管偏壓在正向活性區(qū)；（b）沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區(qū)兩種情形下，電洞和電子的電位能的分布圖比較。圖3（a）pnp三極管在正向活性區(qū)時主要的電流種類；（b）電洞電位能分布及注入的情形；（c）電子的電位能分布及注入的情形。一般三極管設計時，射極的摻雜濃度較基極的高許多，如此由射極注入基極的射極主要載體電洞(也就是基極的少數(shù)載體)IpE?B電流會比由基極注入射極的載體電子電流InB?E大很多，三極管的效益比較高。圖3(b)和(c)個別畫出電洞和電子的電位能分布及載體注入的情形。同時如果基極中性區(qū)的寬度WB愈窄，電洞通過基極的時間愈短，被多數(shù)載體電子復合的機率愈低，到達集電極的有效電洞流IpE?C愈大，基極必須提供的復合電子流也降低，三極管的效益也就愈高。集電極的摻雜通常最低，如此可增大CB極的崩潰電壓，并減小BC間反向偏壓的pn接面的反向飽和電流，這里我們忽略這個反向飽和電流。由圖4(a)，我們可以把各種電流的關系寫下來：射極電流基極電流集電極電流三極管的工作原理(2)2010年03月08日星期一11:07三極管截止與飽合狀態(tài)截止狀態(tài)三極管作為開關使用時，仍是處于下列兩種狀態(tài)下工作。1.截止(cutoff)狀態(tài):如圖5所示，當三極管之基極不加偏壓或加上反向偏壓使BE極截止時(BE極之特性和二極管相同，須加上大于之正向偏壓時才態(tài)導通)，基極電流IB=0,因為IC二BIB,所以IC=IE=0,此時CE極之間相當于斷路，負載無電流。a)基極(B)不加偏壓使基極電流IB等于零(b)基極⑻加上反向偏壓使基極電流IB等于零(c)此時集極(C)與射極(E)之間形同段路，負載無電流通過圖5三極管截止狀態(tài)飽合狀態(tài)飽合(saturation)狀態(tài):如圖6所示，當三極管之基極加入駛大的電流時，因為IC=IE=0XIB,射極和集極的電流亦非常大，此時，集極與射極之間的電壓降非常低(VCE為以下)，其意義相當于集極與射極之間完全導通，此一狀態(tài)稱為三極管飽合。圖6（a）基極加上足夠的順向（b）此時C-E極之間視同偏壓使IB足夠大導通狀態(tài)晶體管的電路符號和各三個電極的名稱如下圖7PNP型三極管圖8NPN型三極管三極管的特性曲線1、輸入特性圖2（b）是三極管的輸入特性曲線，它表示Ib隨Ube的變化關系，其特點是：1）當Uce在0-2伏范圍內，曲線位置和形狀與Uce有關，但當Uce高于2伏后，曲線Uce基本無關通常輸入特性由兩條曲線（I和II）表示即可。2）當UbeVUbeR時，Ib^O稱（0?UbeR）的區(qū)段為“死區(qū)”當Ube>UbeR時，Ib隨Ube增加而增加，放大時，三極管工作在較直線的區(qū)段。3）三極管輸入電阻，定義為:rbe=（aUbe/aIb）Q點，其估算公式為：rbe=rb+（B+1）（26毫伏/Ie毫伏）rb為三極管的基區(qū)電阻，對低頻小功率管，rb約為300歐。2、輸出特性輸出特性表示Ic隨Uce的變化關系（以Ib為參數(shù)）從圖9（C）所示的輸出特性可見，它分為三個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。截止區(qū)當UbeV0時，則Ib^0,發(fā)射區(qū)沒有電子注入基區(qū)，但由于分子的熱運動，集電集仍有小量電流通過，即Ic=Iceo稱為穿透電流，常溫時Iceo約為幾微安，鍺管約為幾十微安至幾百微安，它與集電極反向電流Icbo的關系是：Icbo=(1+0)Icbo常溫時硅管的Icbo小于1微安，鍺管的Icbo約為10微安，對于鍺管，溫度每升高12℃,Icbo數(shù)值增加一倍，而對于硅管溫度每升高8℃,Icbo數(shù)值增大一倍，雖然硅管的Icbo隨溫度變化更劇烈，但由于鍺管的Icbo值本身比硅管大，所以鍺管仍然受溫度影響較嚴重的管，放大區(qū)，當晶體三極管發(fā)射結處于正偏而集電結于反偏工作時，Ic隨Ib近似作線性變化，放大區(qū)是三極管工作在放大狀態(tài)的區(qū)域。飽和區(qū)當發(fā)射結和集電結均處于正偏狀態(tài)時，Ic基本上不隨Ib而變化，失去了放大功能。根據(jù)三極管發(fā)射結和集電結偏置情況，可能判別其工作狀態(tài)。圖9三極管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)(1)集電極一基極反向飽和電流Icbo,發(fā)射極開路(Ie=0)時，基極和集電極之間加上規(guī)定的反向電壓Vcb時的集電極反向電流，它只與溫度有關，在一定溫度下是個常數(shù)，所以稱為集電極一基極的反向飽和電流。良好的三極管，Icbo很小，小功率鍺管的Icbo約為1?10微安，大功率鍺管的Icbo可達數(shù)毫安培，而硅管的Icbo則非常小，是毫微安級。(2)集電極一發(fā)射極反向電流Iceo(穿透電流)基極開路(Ib=0)時，集電極和發(fā)射極之間加上規(guī)定反向電壓Vce時的集電極電流。Iceo大約是Icbo的B倍即Iceo=(1+B)IcbooIcbo和Iceo受溫度影響極大，它們是衡量管子熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，其值越小，性能越穩(wěn)定，小功率鍺管的Iceo比硅管大。(3)發(fā)射極一-基極反向電流Iebo集電極開路時，在發(fā)射極與基極之間加上規(guī)定的反向電壓時發(fā)射極的電流，它實際上是發(fā)射結的反向飽和電流。(4)直流電流放大系數(shù)B1(或hEF)這是指共發(fā)射接法，沒有交流信號輸入時，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即：B1=Ic/Ib2、交流參數(shù)(1)交流電流放大系數(shù)B(或hfe)這是指共發(fā)射極接法，集電極輸出電流的變化量^Ic與基極輸入電流的變化量△Ib之比，即：B=△Ic&b一般電晶體的B大約在10-200之間，如果B太小，電流放大作用差，如果B太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩(wěn)定。(2)共基極交流放大系數(shù)a(或hfb)這是指共基接法時，集電極輸出電流的變化是aic與發(fā)射極電流的變化量ale之比，即：a=△Ic/ale因為△icVaIe,故aV1。高頻三極管的a＞就可以使用a與B之間的關系：a=B/(1+B)B=a/(1-a)%/(1-a)(3)截止頻率fB、fa當B下降到低頻時倍的頻率，就什發(fā)射極的截止頻率fB；當a下降到低頻時的倍的頻率，就什基極的截止頻率faofB、fa是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關系為：fB~(1—a)fa(4)特征頻率fT因為頻率f上升時，B就下降，當B下降到1時，對應的fT是全面地反映電晶體的高頻放大性能的重要參數(shù)。3、極限參數(shù)(1)集電極最大允許電流ICM當集電極電流lc增加到某一數(shù)值，引起B(yǎng)值下降到額定值的2/3或1/2,這時的Ic值稱為ICM。所以當Ic超過ICM時，雖然不致使管子損壞，但B值顯著下降，影響放大品質。（2）集電極----基極擊穿電壓BVCBO當發(fā)射極開路時，集電結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。（3）發(fā)射極——基極反向擊穿電壓BVEBO當集電極開路時，發(fā)射結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。（4）集電極——發(fā)射極擊穿電壓BVCEO當基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，使用時如果Vce>BVceo,管子就會被擊穿。（5）集電極最大允許耗散功率PCM集電流過Ic,溫度要升高，管子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過允許值時的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=UceXIc.使用時慶使PcVPCM。PCM與散熱條件有關，增加散熱片可提高PCM。三極管的工作原理（3）2010年03月08日星期一11:08晶體三極管用途晶體三極管的用途主要是交流信號放大,直流信號放大和電路開關。晶體三極管偏置使用晶體管作放大用途時,必須在它的各電極上加上適當極性的電壓，稱為“偏置電壓”簡稱“偏壓”，又“偏置偏流”。電路組成上叫偏置電路。晶體管各電極加上適當?shù)钠秒妷褐螅麟姌O上便有電流流動。通過發(fā)射極的電流稱為“射極電流”，用IE表示；通過基極的電流稱為“基極電流”，用IB