三極管工作原理

1、結(jié)構(gòu)與操作原理三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反向連結(jié)的PN接面，如圖1所示，可有PNP和NPN兩種組合。三個(gè)接出來(lái)的端點(diǎn)依序稱為射極（emitter，E）、基極（base，B）和集極（collector，C），名稱來(lái)源和它們?cè)谌龢O管操作時(shí)的功能有關(guān)。圖中也顯示出NPN與PNP三極管的電路符號(hào)，射極特別被標(biāo)出，箭號(hào)所指的極為N型半導(dǎo)體，和二極體的符號(hào)一致。在沒接外加偏壓時(shí)，兩個(gè)PN接面都會(huì)形成耗盡區(qū)，將中性的P型區(qū)和N型區(qū)隔開。               

2、; 圖1 PNP(a)與NPN(b)三極管的結(jié)構(gòu)示意圖與電路符號(hào)。                三極管的電特性和兩個(gè)PN接面的偏壓有關(guān)，工作區(qū)間也依偏壓方式來(lái)分類，這里我們先討論最常用的所謂”正向活性區(qū)”(forward active)，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(huì)變窄，載體看到的位

3、障變小，射極的電洞會(huì)注入到基極，基極的電子也會(huì)注入到射極；而BC接面的耗盡區(qū)則會(huì)變寬，載體看到的位障變大，故本身是不導(dǎo)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(gè)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(gè)接面相當(dāng)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(kuò)散，同時(shí)也被電子復(fù)合。當(dāng)沒有被復(fù)合的電洞到達(dá)BC接面的耗盡區(qū)時(shí)，會(huì)被此區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)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(dá)連結(jié)外部的歐姆接點(diǎn)，形成集電極

4、電流IC。IC的大小和BC間反向偏壓的大小關(guān)系不大?；鶚O外部?jī)H需提供與注入電洞復(fù)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(fù)合，即InB? E=IErec。pnp三極管在正向活性區(qū)時(shí)主要的電流種類可以清楚地在圖3(a)中看出。 圖2 (a)一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(shí)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。  

5、60;            一般三極管設(shè)計(jì)時(shí)，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(huì)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(gè)別畫出電洞 和電子的電位能分布及載體注入的情形。同時(shí)如果基極中性區(qū)的寬度WB愈窄， 電洞通過基極的時(shí)間愈短，被多數(shù)載體電子復(fù)合的機(jī)率愈低，到達(dá)集電極的有效電 洞流IpE? C愈大，基極必須提供的復(fù)合電子流也降低，三極管的效益也就愈高。 集電

6、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(gè)反向飽和電流。 由圖4(a)，我們可以把各種電流的關(guān)系寫下來(lái)： 射極電流IE=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ IBrec + InB? E (1a) 基極電流IB= InB? E + IBrec= IErec + IBrec (1b) 集電極電流IC =IpE? C= IE - IErec - IBrec= IE - IB (1c) 式1c也可以寫成 IE = IC + IB      &

7、#160;        射極注入基極的電洞流大小是由EB接面間的正向偏壓大小來(lái)控制，和二極 體的情形類似，在啟動(dòng)電壓附近，微小的偏壓變化，即可造成很大的注入電流變 化。更精確的說(shuō)，三極管是利用VEB（或VBE）的變化來(lái)控制IC，而且提供之IB遠(yuǎn) 比IC小。npn三極管的操作原理和pnp三極管是一樣的，只是偏壓方向，電流方 向均相反，電子和電洞的角色互易。pnp三極管是利用VEB控制由射極經(jīng)基極、 入射到集電極的電洞，而npn三極管則是利用VBE控制由射極經(jīng)基極、入射到集電極 的電子，圖4是二者的比較。 經(jīng)過上面討論可以看出

8、，三極管的效益可以由在正向活性區(qū)時(shí)，射極電流中 有多少比例可以到達(dá)集電極看出，這個(gè)比例習(xí)慣性定義作希臘字母           圖4 pnp三極管與npn三極管在正向活性區(qū)的比較。  而且a一定小于1。效益高的三極管，a可以比0.99大，也就是只有小于1%的射極電流在基極與射極內(nèi)與基極的主要載體復(fù)合，超過99%的射極電流到達(dá)集電極！了解正向活性區(qū)的工作原理后，三極管在其他偏壓方式的工作情形就很容易理解了。表1列出三極管四種工作方式的名稱及對(duì)應(yīng)之BE和BC之pn接面偏壓方式。反向活性區(qū)(rever

9、se active)是將原來(lái)之集電極用作射極，原來(lái)的射極當(dāng)作集電極，但由于原來(lái)集電極之摻雜濃度較基極低，正向偏壓時(shí)由原基極注入到原集電極之載體遠(yuǎn)較原集電極注入基極的多，效益很差，也就是說(shuō)和正向活性區(qū)相比，提供相同的基極電流，能夠開關(guān)控制的集電極電流較少，a較小。在飽和區(qū)(saturation)，兩個(gè)接面都是正向偏壓，射極和集電極同時(shí)將載體注入基極，基極因此堆積很多少數(shù)載體，基極復(fù)合電流大增，而且射極和集電極的電流抵銷，被控制的電流量減小。在截止區(qū)(cut off)，BE和BC接面均不導(dǎo)通，各極間只有很小的反向飽和電流，三極間可視作開路，也就是開關(guān)在關(guān)的狀態(tài)。 名稱正向活性區(qū)反向活性區(qū)

10、飽和區(qū)截止區(qū)(forward active) (reverse active) (saturation) (cut off ) BE 接面正向偏壓反向偏壓正向偏壓反向偏壓BC 接面反向偏壓正向偏壓正向偏壓反向偏壓用途線性信號(hào)放大器數(shù)字電路開關(guān)電路很少使用數(shù)字電路 開關(guān)電路數(shù)字電路 開關(guān)電路 工作模式射極結(jié)面極集結(jié)面飽和正向偏壓正向偏壓線性正向偏壓反向偏壓反向反向偏壓正向偏壓截止反向偏壓反向偏壓 表中同時(shí)列出了四種工作方式的主要用途。 三極管在數(shù)字電路中的用途其實(shí)就是開關(guān)，利用電信號(hào)使三極管在正向活性區(qū)（或飽和區(qū)）與截止區(qū)間切換，就開關(guān)而言，對(duì)應(yīng)開與關(guān)的狀態(tài)，就數(shù)字電路而言則

11、代表0與1（或1與0）兩個(gè)二進(jìn)位數(shù)字。若三極管一直維持偏壓在正向活性區(qū)，在射極與基極間微小的電信號(hào)（可以是電壓或電流）變化，會(huì)造成射極與集電極間電流相對(duì)上很大的變化，故可用作信號(hào)放大器。下面在介紹完三極管的電流電壓特性后，會(huì)再仔細(xì)討論三極管的用途。 三極管截止與飽合狀態(tài)       截止?fàn)顟B(tài)      三極管作為開關(guān)使用時(shí)，仍是處于下列兩種狀態(tài)下工作。1.截止(cut off)狀態(tài):如圖5所示，當(dāng)三極管之基極不加偏壓或加上反向偏壓使BE極截止時(shí)(BE極之特性和二極管相同，須加

12、上大于0.7V之正向偏壓時(shí)才態(tài)導(dǎo)通)，基極電流IB=0，因?yàn)镮C=IB，所以IC=IE=0，此時(shí)CE極之間相當(dāng)于斷路，負(fù)載無(wú)電流。   a)基極(B)不加偏壓使基極電流IB等于零 (b)基極(B)加上反向偏壓使基極電流IB等于零(c)此時(shí)集極(C)與射極(E) 之間形同開路，負(fù)載無(wú)電流通過                       &#

13、160;                                  圖5 三極管截止?fàn)顟B(tài)飽合狀態(tài)飽合(saturation)狀態(tài):如圖6所示，當(dāng)三極管之基極加入較大的電流時(shí)，因?yàn)镮CIE=×IB，射極和集極的電流亦非常大，此時(shí)，集極與射極之間的電壓降非

14、常低(VCE為0.4V以下)，其意義相當(dāng)于集極與射極之間完全導(dǎo)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                                        

15、;        (b)此時(shí)C-E極之間視同            偏壓使IB足夠大                          &#

16、160;                                  導(dǎo)通狀態(tài) 晶體管的電路符號(hào)和各三個(gè)電極的名稱如下    圖7 PNP型三極管     

17、0;    圖8 NPN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(guān)系，其特點(diǎn)是：1）當(dāng)Uce在0-2伏范圍內(nèi)，曲線位置和形狀與Uce有關(guān)，但當(dāng)Uce高于2伏后，曲線Uce基本無(wú)關(guān)通常輸入特性由兩條曲線（和）表示即可。2）當(dāng)UbeUbeR時(shí)，IbO稱（0UbeR)的區(qū)段為“死區(qū)”當(dāng)UbeUbeR時(shí)，Ib隨Ube增加而增加，放大時(shí)，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=(Ube/Ib)Q點(diǎn)，其估算公式為：rbe=rb+(+1)(26毫伏/Ie毫伏）rb為三

18、極管的基區(qū)電阻，對(duì)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(guān)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(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。截止區(qū)當(dāng)Ube0時(shí)，則Ib0，發(fā)射區(qū)沒有電子注入基區(qū)，但由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，集電集仍有小量電流通過，即Ic=Iceo稱為穿透電流，常溫時(shí)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(guān)系是：Icbo=(1+)Icbo常溫時(shí)硅管的Icbo小于1微安，鍺管的Icbo約為10微安，對(duì)于鍺管，溫度每升高12，Icbo數(shù)值增加一倍，而對(duì)于硅管溫度每升高8， Icbo數(shù)值增大一倍，雖然硅管的Icb

19、o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(yán)重的管，放大區(qū)，當(dāng)晶體三極管發(fā)射結(jié)處于正偏而集電結(jié)于反偏工作時(shí)，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(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏狀態(tài)時(shí)，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(jié)和集電結(jié)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

20、基極反向飽和電流Icbo，發(fā)射極開路（Ie=0)時(shí)，基極和集電極之間加上規(guī)定的反向電壓Vcb時(shí)的集電極反向電流，它只與溫度有關(guān)，在一定溫度下是個(gè)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110微安，大功率鍺管的Icbo可達(dá)數(shù)毫安培，而硅管的Icbo則非常小，是毫微安級(jí)。 （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(shí)，集電極和發(fā)射極之間加上規(guī)定反向電壓Vce時(shí)的集電極電流。 Iceo大約是Icbo的倍即Iceo=(1+)Icbo o Icbo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)

21、定，小功率鍺管的Iceo比硅管大。 （3）發(fā)射極-基極反向電流Iebo集電極開路時(shí)，在發(fā)射極與基極之間加上規(guī)定的反向電壓時(shí)發(fā)射極的電流，它實(shí)際上是發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。 （4）直流電流放大系數(shù)1（或hEF）這是指共發(fā)射接法，沒有交流信號(hào)輸入時(shí)，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即： 1=Ic/Ib 2、交流參數(shù) （1）交流電流放大系數(shù)（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： = Ic/Ib 一般電晶體的大約在10-200之間，如果太小，電流放大作用差，如果太大，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)（

22、或hfb）這是指共基接法時(shí)，集電極輸出電流的變化是Ic與發(fā)射極電流的變化量Ie之比，即： =Ic/Ie 因?yàn)镮cIe，故1。高頻三極管的0.90就可以使用 與之間的關(guān)系： = /（1+） = /（1-）1/（1-） （3）截止頻率f、f當(dāng)下降到低頻時(shí)0.707倍的頻率，就什發(fā)射極的截止頻率f；當(dāng)下降到低頻時(shí)的0.707倍的頻率，就什基極的截止頻率fo f、 f是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關(guān)系為： f（1-）f （4）特征頻率fT因?yàn)轭l率f上升時(shí)，就下降，當(dāng)下降到1時(shí)，對(duì)應(yīng)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(dāng)集電極電流Ic

23、增加到某一數(shù)值，引起值下降到額定值的2/3或1/2，這時(shí)的Ic值稱為ICM。所以當(dāng)Ic超過ICM時(shí)，雖然不致使管子損壞，但值顯著下降，影響放大品質(zhì)。 （2）集電極-基極擊穿電壓BVCBO當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)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(dāng)集電極開路時(shí)，發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓稱為BVEBO。 （4）集電極-發(fā)射極擊穿電壓BVCEO當(dāng)基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，使用時(shí)如果VceBVceo，管子就會(huì)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(shí)的最大集電極耗散功率稱為PCM

24、。管子實(shí)際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce×Ic.使用時(shí)慶使PcPCM。 PCM與散熱條件有關(guān)，增加散熱片可提高PCM。 晶體三極管用途  晶體三極管的用途主要是交流信號(hào)放大，直流信號(hào)放大和電路開關(guān)。晶體三極管偏置使用晶體管作放大用途時(shí)，必須在它的各電極上加上適當(dāng)極性的電壓，稱為“偏置電壓”簡(jiǎn)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(dāng)?shù)钠秒妷褐螅麟姌O上便有電流流動(dòng)。 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表示；通過集電極的電流稱為“集極電流”，用IC表示。

25、60;             圖10 晶體管三個(gè)電極的電流有一定關(guān)系，公式如下 IE  IB IC晶體三極管的三種放大電路  三極管放大電路         當(dāng)晶體管被用作放大器使用時(shí)，其中兩個(gè)電極用作信號(hào) (待放大信號(hào)) 的輸入端子；兩個(gè)電極作為信號(hào) (放大后的信號(hào)) 的輸出端子。 那么，晶體管三個(gè)電極中，必須有一個(gè)電極既是信號(hào)的輸入端子，又同時(shí)是信號(hào)的輸出端子，這個(gè)電極稱為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的公共電極。          按晶體管公共電極的不同選擇，晶體管放大電路有三種：共基極電路 (Common base circuit)、共射極電路(Common emitter circuit) 和 共集極電路