項目2 晶體三極管及其應(yīng)用

1、項目項目2 晶體三極管及其應(yīng)用晶體三極管及其應(yīng)用【知識目標(biāo)知識目標(biāo)】（1）掌握三極管的種類、作用與標(biāo)識方法。）掌握三極管的種類、作用與標(biāo)識方法。（2）掌握三極管的主要參數(shù)。）掌握三極管的主要參數(shù)。（3）了解三極管的主要用途。）了解三極管的主要用途。【技能目標(biāo)技能目標(biāo)】（1）能用目視法判斷識別常見三極管的種類，能正確叫出各種三極管的名稱。）能用目視法判斷識別常見三極管的種類，能正確叫出各種三極管的名稱。（2）對三極管上標(biāo)識的型號能正確識讀，知曉該三極管的作用和用途。）對三極管上標(biāo)識的型號能正確識讀，知曉該三極管的作用和用途。（3）會用萬用表對各種三極管進行正確測量，并對其質(zhì)量做出評價。）會用萬用

2、表對各種三極管進行正確測量，并對其質(zhì)量做出評價。晶體三極管是在上世紀(jì)40年代發(fā)展起來的新型電子器件，它具有體積小、重量輕、耗電省、壽命長、工作可靠等一系列優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。二極管有一個PN結(jié)，三極管有兩個PN結(jié)，但三極管絕對不是兩個二極管的組合，而是通過特殊的工藝將三塊P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成了兩個PN結(jié)。如圖2.1所示，是三極管的結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號。一個三極管由兩個PN結(jié)組成，從而形成了三個區(qū)域：集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)?；鶇^(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)，基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)。由集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)各引出一個電極，分別稱為集電極、基極和發(fā)射極，依次用字母c、b和e來表示

3、。圖2.1 三極管結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號 根據(jù)三個區(qū)的半導(dǎo)體材料類型的不同，三極管可分為PNP型和NPN型兩大類?；鶇^(qū)為P型半導(dǎo)體的稱為NPN型三極管，如圖2.1（a）所示；基區(qū)為N型半導(dǎo)體的稱為PNP型三極管，如圖2.1（b）所示。PNP型三極管和NPN型三極管的工作原理相同，只是工作電壓的極性和電流的流向相反。三極管的文字符號是VT，圖形符號如圖2.1中所示。發(fā)射極箭頭的方向表示發(fā)射結(jié)正偏時電流的流向。常見三極管的實物外形和幾何圖形如圖2.2所示。圖2.2 常見三極管的實物外形圖常見三極管的幾何圖形及其封裝形式如圖2.3所示。1.三極管的分類：三極管按制作的材料分為鍺三極管、硅三極管；三極管

4、按PN結(jié)的組合方式分為NPN型和PNP型；三極管從制作工藝的結(jié)構(gòu)上分為點接觸型和面結(jié)合型；三極管按工作的頻率分為高頻管(fT3MHz)和低頻管(fT3MHz)；三極管按功率分為大功率管(Pc1W)、中功率管(Pc在0.71W)、小功率管(Pc0.7W)。2.三極管的識別與測量 （1）用指針式萬用表檢測三極管的管型將指針式萬用表的紅表筆接三極管的任一腳，黑表筆分別接三極管的另外兩腳。當(dāng)兩次測得的阻值均為很小時，一般為幾十十幾K，則此管為PNP型；當(dāng)兩次測得的阻值均為很大時，一般為幾百K以上，則此管為NPN型，且紅表筆接的是三極管的基極，如圖2.4所示。（2）用指針式萬用表判別三極管的集電極與發(fā)射

5、極）用指針式萬用表判別三極管的集電極與發(fā)射極 對PNP型管：除了基極外，將紅表筆和黑表筆分別接三極管的另外兩腳，再將基極與紅表筆之間用手捏住，交換紅表筆和黑表筆分別接的另外兩腳，測得阻值比較小的一次，紅表筆對應(yīng)的是PNP管的集電極，黑表筆對應(yīng)的是發(fā)射極。 對NPN型管：除了基極外，將紅表筆和黑表筆分別接三極管的另外兩腳，再將基極與黑表筆之間用手捏住，交換紅表筆和黑表筆分別接的另外兩腳，測得阻值比較小的一次，黑表筆對應(yīng)的是NPN管的集電極，紅表筆對應(yīng)的是發(fā)射極。（3）用指針式萬用表判別三極管的材料）用指針式萬用表判別三極管的材料用萬用表的R1K檔，測發(fā)射結(jié)（eb）和集電結(jié)（cb）的正向電阻，硅管

6、大約在310K，鍺管大約在5001000之間，兩個結(jié)的反向電阻，硅管一般大于500K，鍺管在100K左右。（4）用指針式萬用表判別三極管是高頻管還是低頻管）用指針式萬用表判別三極管是高頻管還是低頻管用萬用表的R1K檔測量三極管基極與發(fā)射極之間的反向電阻，如在幾百千歐以上，然后將表盤拔到R10K檔，若表針能偏轉(zhuǎn)至滿度的一半左右，表明該管為高頻管，若阻值變化很小，表明該管是低頻管。測量時表筆的接法：對NPN管，黑表筆接發(fā)射極，紅表筆接基極；對PNP管紅表筆接發(fā)射極，黑表筆接基極。（5）三極管電流放大倍數(shù)的判別）三極管電流放大倍數(shù)的判別有些三極管的殼頂上標(biāo)有色點，作為 值的色點標(biāo)志，為選用三極管帶來

7、了很大的方便。其分擋標(biāo)志如下：01525405580120180270400600 棕 紅 橙 黃 綠 藍 紫 灰 白 黑 還可以用萬用表來測量三極管的電流放大倍數(shù)，一般的萬用表上都有專門測量三極管電流放大倍數(shù)的檔位hFE。將萬用表的撥盤撥到hFE檔鄰近的ADJ檔位，將兩只表筆短接，調(diào)節(jié)校零旋鈕，使表針指到300，再將撥盤撥到hFE檔位。當(dāng)三極管的管型確定后，將三極管的三個極插到表盤上與“NPN”或“PNP”對應(yīng)的插孔內(nèi)，根據(jù)指針的讀數(shù)，就可以知道此三極管的電流放大倍數(shù)了。若hFE（）值不正常，如為零或大于300，則說明此管子已壞。2.1.三極管的電流放大作用三極管的電流放大作用 三極管具有放

8、大作用的條件三極管具有放大作用的條件三極管在電路中的主要作用是進行信號的放大。要使三極管具有放大作用，必須給三極管加上合適的工作電壓，即：發(fā)射結(jié)加上正偏電壓，集電結(jié)加上反偏電壓。也就是說三極管發(fā)射結(jié)的P區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位；三極管集電結(jié)的P區(qū)接電源負極，N區(qū)接電源正極，如圖2.5所示。在放大電路中，不論采用哪種管型的三極管，都要滿足這個基本條件。 圖2.5 三極管工作在放大狀態(tài)的電壓條件 電源使發(fā)射結(jié)保證有正偏電壓，使集電結(jié)保證有反偏電壓。圖中電位器RP的作用是改變基極電流的大小，從而改變集電極電流和發(fā)射極電流的大小。2.2三極管的伏安特性和主要參數(shù)三極管的伏安特性和主要參數(shù) 三極管的伏安

9、特性曲線分為輸入特性曲線和輸出特性曲線兩種。三極管的伏安特性曲線可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出，也可以由晶體管圖示儀直接測量得到。 2.2.1三極管的輸入特性曲線三極管的輸入特性曲線 三極管的輸入特性曲線是當(dāng)三極管的集-射電壓一定時，基極電流隨基-射電壓 變化的關(guān)系曲線，如圖2.6（a）所示。由于三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，所以三極管的輸入特性曲線與二極管德正向特性曲線相似。當(dāng)小于死區(qū)電壓時，三極管截止；當(dāng)大于死區(qū)電壓時才有基極電流 ，三極管導(dǎo)通。三極管導(dǎo)通后，發(fā)射結(jié)壓降變化不大，硅管約為0.60.7 V，鍺管約為0.20.3V，這是判斷三極管是否工作在放大狀態(tài)的主要依據(jù)。 圖2.6三極管的伏安特性曲線 2.

10、2.2三極管的輸出特性曲線三極管的輸出特性曲線 三極管的輸出特性曲線是指三極管的基極電流為某一固定值時，輸出回路中集電極電流與集-射電壓 的關(guān)系曲線。取不同的，可得到不同的曲線，因此三極管的輸出特性曲線是一個曲線族，如圖2.6（b）所示。通常把三極管的輸出伏安特性分成三個工作區(qū)：1.放大區(qū)輸出特性曲線近似于水平的部分是放大區(qū)。在這個區(qū)域里，基極電流不為零，集電極電流也不為零，且IC和IB成正比，兩者的比例叫做三極管的電流放大系數(shù)，表示三極管的電流放大能力。三極管工作于放大區(qū)的電壓條件是：發(fā)射結(jié)上有正偏電壓，集電結(jié)上有反偏電壓。2.截止區(qū)在基極電流IB=0所對應(yīng)的曲線下方的區(qū)域是截止區(qū)。在這個區(qū)

11、域里，IB=0，IC=ICEO（穿透電流）。三極管工作于截止區(qū)的電壓條件是：發(fā)射結(jié)上有反偏電壓，集電結(jié)上也有反偏電壓。當(dāng)然由于三極管在輸入特性中存在著死區(qū)電壓，所以對硅三極管而言，當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓UBE0.5伏時，三極管已開始截止；對鍺三極管而言，當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓0.1伏時，三極管也進入截止?fàn)顟B(tài)。3.飽和區(qū)飽和區(qū)是對應(yīng)于UCE較小（此時UCEUBE）的區(qū)域。在這個區(qū)域里，有IB，也有IC，但IC與IB已不成比例關(guān)系。三極管工作于飽和區(qū)的電壓條件是：發(fā)射結(jié)上是正偏電壓，集電結(jié)上也是正偏電壓。集電結(jié)電壓之所以變成正向偏置，是由于集電極電流大到一定程度時，集電極電阻兩端的電壓降太大，致使集電極電位小于基極的

12、電位。三極管飽和時，雖然有集電極電流，但集電極和發(fā)射極兩端的電壓很小，只有零點幾伏（硅管0.3V，鍺管0.1V）；三極管截止時，幾乎沒有集電極電流。這相當(dāng)于電路開關(guān)的通和斷，所以三極管在電路里也常常被用作電子開關(guān)，在數(shù)字電路里有著廣泛的應(yīng)用。三極管作為一個開關(guān)來使用時，是一個沒有機械觸點的開關(guān)，其開關(guān)速度可以達到每秒幾百萬次。正是因為這一點，才使計算機技術(shù)有了突飛猛進的發(fā)展?！局匾Y(jié)論】（1）三極管不僅具有電流放大作用，而且還具有開關(guān)特性。（2）當(dāng)三極管作為放大器件使用時，應(yīng)該工作在放大區(qū)。（3）當(dāng)三極管作為開關(guān)器件使用時，應(yīng)該工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。改變加在三極管的各個極間的電壓，就可以控制三

13、極管的工作狀態(tài)。 2.3三極管在電路中的應(yīng)用三極管在電路中的應(yīng)用半導(dǎo)體三極管是電子電路的核心器件， 應(yīng)用十分廣泛。 盡管三極管可以組成許許多多的電路形式，例如組成運算放大電路、 功率放大電路、 振蕩電路、 反相器、 數(shù)字邏輯電路等， 但基本上可以歸納為放大應(yīng)用和開關(guān)應(yīng)用兩大類。 2.3.1三極管的放大應(yīng)用三極管的放大應(yīng)用 在模擬電子電路中， 三極管主要工作于放大狀態(tài)， 它把輸入基極的電流IB 放大倍后以IC 的形式輸出，因此三極管的放大應(yīng)用， 就是利用三極管的電流控制作用把微弱的電流信號增強到所要求的數(shù)值。 利用三極管的電流放大作用， 可以得到各種形式的電子電路。實用的助聽器電路圖2.9是一個

14、實用的耳聾助聽器實際電路，三極管將人的說話聲音加以放大，可以滿足耳聾患者和一些老年人的需要。 圖2.9 耳聾助聽器的實際電路1. 耳聾助聽器電路工作原理耳聾助聽器電路工作原理晶體三極管VT1、VT2、VT3、VT4組成三級音頻放大電路。其中VT3、VT4構(gòu)成復(fù)合管，具有較高的電流增益。R2、R4、R5分別是三級放大器的基極偏置電阻，它們不直接接電源，而是接在晶體管的集電極上，能夠起到穩(wěn)定工作點的作用。M是微型話筒。微弱的聲音信號由微型話筒變成電信號，經(jīng)過音頻放大電路放大，最后由耳機EJ發(fā)出聲音。電位器RP（RW）用來調(diào)節(jié)音量的大小。各級電路之間采用了阻容耦合方式。C5是電源旁路電容，可以減小當(dāng)

15、電池內(nèi)阻變大時對電路造成的寄生耦合。C4和R8是電源退耦電路，使前兩極放大器的交流信號不通過電源形成回路，可以防止前后級之間的不良耦合。2.電路中元器件的選擇電路中元器件的選擇VT1VT4選用PNP型低頻小功率鍺管，3AX型的都可以，值在5080為好，太大則容易造成電路工作不穩(wěn)定。只所以選擇鍺材料三極管，是因為鍺管的死區(qū)電壓低，對微弱的信號也可以進行有效的放大。三極管的穿透電流ICEO,特別是VT1、VT2的穿透電流要小一些，有利于降低耳機中的靜態(tài)噪音。M可以選用微型駐極體電容式話筒，體積小，價格低，完全可以滿足要求。若采用廢棄的舊錄音機內(nèi)的駐極體電容式話筒，效果會更好，可以直接接入電路。耳機

16、選用高阻抗的耳機，阻值在8002000的均可。電源用三節(jié)5號電池。C1、C2、C3、C5選用1050 的小型電解電容，耐壓大于6.3V就可以。助聽器的外殼可以選用較小的晶體管收音機的塑料外殼。3.電路調(diào)試方法電路調(diào)試方法 助聽器的三級放大器可以由后往前逐級調(diào)整。首先調(diào)整復(fù)合管VT3和VT4。用一個150K的電位器和一個20K 的電阻串聯(lián)，代替R5，并把萬用電表的電流檔連入A點中，測量復(fù)合管集電極電流。調(diào)節(jié)150K的電位器，使復(fù)合管的集電極電流大約等于3mA，將此時的電位器的阻值測量好，加上20K的電阻值，然后換上一個阻值相同的電阻作為R5。用同樣的方法將第一級和第二級的R1和R3調(diào)試好：第一級

17、的集電極電流約為0.6毫安，第二級的集電極電流約為0.8毫安。調(diào)試完成后，用小螺絲刀碰觸VT1的基極，耳機中會發(fā)出“喀喀”聲。把電位器RP調(diào)到較小的位置，再接上話筒，就可以試聽了。2.4.2三極管的開關(guān)應(yīng)用三極管的開關(guān)應(yīng)用 三極管工作在開關(guān)狀態(tài)時，可以實現(xiàn)信號的導(dǎo)通與截止，相當(dāng)于開關(guān)的斷開和閉合，主要應(yīng)用于數(shù)字電路。處于開關(guān)狀態(tài)的三極管工作于截止區(qū)或飽和區(qū)， 而放大區(qū)只是出現(xiàn)在三極管飽和與截止的轉(zhuǎn)換過程中，是個瞬間的過渡過程。如圖2.10所示，是一個由三極管構(gòu)成的受輸入信號ui控制的開關(guān)應(yīng)用電路。 圖2.10 三極管構(gòu)成的受輸入信號控制的開關(guān)應(yīng)用電路 1. 開關(guān)電路工作原理開關(guān)電路工作原理為保

18、證三極管能可靠的截止， 要求發(fā)射結(jié)電壓uBE0， 所以在圖2.10中的三極管若工作于截止區(qū)， 必須有ui0。 工作在截止區(qū)的三極管各電極電流近似為零， 各電極間可以看成是開路狀態(tài)， 相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)， 輸出電壓等于電源電壓12 V， 其等效電路如圖2.11所示。 圖2.11 三極管截止時的等效電路 從圖2.10可以看出， 基極電流iB的增大會使集電極電流iC隨之增大， 當(dāng)集電極電流iC達到一定程度時，將導(dǎo)致三極管的集電極和發(fā)射極間的管壓降降低到接近于零， 從而使三極管工作于飽和狀態(tài)。三極管剛剛進入飽和區(qū)時稱為臨界飽和， 臨界時的集電極和發(fā)射極間的管壓降uCE已經(jīng)很小，iC仍約為倍的iB。在三極管臨界飽和的基礎(chǔ)上， 如果iB繼續(xù)增大， 由于集電極和發(fā)射極間的管壓降已經(jīng)達到最小值， 對應(yīng)的集電極電流將達到最大值，不能繼續(xù)隨iB的增大而增大，這就表示三極管已經(jīng)進入了飽和區(qū)，集電極和發(fā)射極間可以看成是導(dǎo)通狀態(tài)， 相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)，輸出電壓約等于0 V， 其等效電路如圖2.12所示。 圖2.12 三極管飽和時的等效電路 2.4特殊三極管2.4.1光敏三極管 光敏三極管是一種相當(dāng)于在基極和集電極接入光電二極管的三極管。為了對光有良好的響應(yīng)，其基區(qū)面積比發(fā)射區(qū)面積大得多，以擴大光照面積。光敏三極管的管腳有三個也有兩個的，在兩個管腳的光敏三極管中，光窗