淺析三極管輸出特性曲線

1、淺析三極管輸出特性曲線記得當(dāng)年學(xué)模電，感覺整個(gè)模擬電路都在和這個(gè)圖做斗爭(zhēng)，其實(shí)很多時(shí)候我們并不是不理解，只是說服不了自己去相信這些事實(shí)，這篇文章我將分享一些我自己的理解方法，可能并不是很準(zhǔn)確，但希望能幫助大家理解。2/c/mA八龜和區(qū)2-8Oua放大區(qū)砧40uA心二0歩止區(qū)K:e/v在講輸出特性曲線之前，我首先要寫很多廢話來講清楚三極管到底是怎么工作的。1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子電源Ub經(jīng)過電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上，發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷地越過發(fā)射結(jié)進(jìn)入基區(qū)，形成發(fā)射極電流le。同時(shí)基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但由于多數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)載流子濃度，可以不考慮這個(gè)電流，

2、因此可以認(rèn)為發(fā)射結(jié)主要是電子流。2、基區(qū)中電子的擴(kuò)散與復(fù)合電子進(jìn)入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散，被集電結(jié)電場(chǎng)拉入集電區(qū)形成集電極電流lc。也有很小一部分電子（因?yàn)榛鶇^(qū)很?。┡c基區(qū)的空穴復(fù)合，擴(kuò)散的電子流與復(fù)合電子流之比例決定了三極管的放大能力。3、集電區(qū)收集電子由于集電結(jié)外加反向電壓很大，這個(gè)反向電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)將擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）也會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，流向基區(qū)形成反向飽和電流，用Icbo來表示，其數(shù)值很小，但對(duì)溫度卻異常

3、敏感。以上是書本上的解釋，我相信初學(xué)者很少有能看懂這些正確的廢話的，但是當(dāng)你看完這篇文章再回頭讀讀這些話，你就會(huì)感嘆，教科書里面的話真的是很精辟，沒有一句廢話。廢話不多說，要搞明白三極管，首先要搞明白二極管（這里所講的是晶體二極管，電子二極管比這個(gè)好理解）。而要弄懂二極管，自然不可回避PN結(jié)在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，我們稱兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)镻N結(jié)。其實(shí)通過這個(gè)定義，你依然不能解釋很多問題，這里涉及到載流子的問題，在P區(qū)載流子主要是空穴，而N區(qū)主要載流子是電子，如果將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體貼在一起，自然會(huì)因?yàn)闈舛炔钚纬奢d流子擴(kuò)散

4、（就像高中化學(xué)和生物里分子擴(kuò)散一樣）。由于載流子的擴(kuò)散，在兩種半導(dǎo)體交界處形成了空間電荷區(qū)（也稱為耗盡區(qū)，個(gè)人認(rèn)為空間電荷區(qū)更形象，就是一堆不能移動(dòng)的電荷），由于這些電荷的存在，形成了內(nèi)電場(chǎng)，這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)會(huì)阻止進(jìn)一步擴(kuò)散，整個(gè)過程如下圖所示。如果我們?cè)赑N結(jié)外部加上一個(gè)與內(nèi)電場(chǎng)反方向的電壓，只要電壓大于內(nèi)電場(chǎng)，便可以克服內(nèi)電場(chǎng)阻力，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體內(nèi)的多數(shù)載流子可以繼續(xù)正常流動(dòng)；相反，如果加上和內(nèi)電場(chǎng)相同的方向的電壓，則這種阻力會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，但是如果電場(chǎng)過大，內(nèi)部晶格會(huì)發(fā)生變化（齊納擊穿），最終導(dǎo)致三極管被擊穿。以下是關(guān)于雪崩擊穿個(gè)人的猜想（實(shí)在不知道該怎么查證，如果有知道，希望不吝賜教）

5、：PN結(jié)反向擊穿有三種形式雪崩擊穿、齊納擊穿和熱擊穿。齊納擊穿和熱擊穿從面上很好理解，而雪崩擊穿的解釋中，有一句話是不合常理因?yàn)楹谋M區(qū)的電場(chǎng)方向和外加電場(chǎng)方向一致，導(dǎo)致電場(chǎng)很大，電子在電場(chǎng)中被加速到一定的速度之后撞擊晶格形成電子空穴對(duì)，被撞擊出來的電子又被加速撞擊其他的晶格注意這里他說電子在電場(chǎng)中被加速到一定速度，電子是哪兒來的？（其實(shí)我一直不能理解這個(gè)問題，直到前幾天看到一篇文章，給了我一些啟發(fā)）。我們知道P型半導(dǎo)體里面的多數(shù)載流子是空穴，注意是多數(shù)載流子，也就是在P型半導(dǎo)體內(nèi)還有少數(shù)載流子一一電子，同樣在N型半導(dǎo)體內(nèi)也有少數(shù)載流子一一空穴，雖然多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)的被限制了，但少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)

6、卻得到了加強(qiáng)（注意這句話。所以我猜測(cè)這個(gè)電子便是少數(shù)載流子，當(dāng)然這只是我的猜測(cè)，但是這卻和三極管的原理有著莫大的關(guān)系。弄懂了二極管，我們就可以開始解釋三極管的工作原理了，我相信很多人和我一樣對(duì)三極管都是一知半解的，其實(shí)這沒什么，作為工科的學(xué)生，弄清楚原理不是我們的目的，即使一知半解對(duì)我們來說也是綽綽有余了，但是我覺得理解這些深層次的原理本身是一件很有趣的事。正如我上面所提到的，二極管中的少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)得到了加強(qiáng)，注意最關(guān)鍵的一步如果我們?cè)诜聪蚱玫腜N的P區(qū)注入電子。這個(gè)時(shí)候電子可以輕而易舉地通過耗盡區(qū)，甚至可以說是被拉到了N區(qū)，這其實(shí)就是三極管的原理！講到這里可能有些人已經(jīng)恍然大悟了，但大

7、多數(shù)人肯定依然一頭霧水，不要急，再多讀兩分鐘就能明白了。仔細(xì)觀察下面這張圖片，這張圖片是三極管的原理圖，但仔細(xì)想想其實(shí)就是我們上面所提到的那種情況一一基區(qū)和集電區(qū)構(gòu)成的PN結(jié)反偏，基區(qū)和發(fā)射區(qū)（摻雜了很多電子）構(gòu)成的PN結(jié)正偏，電子被不斷注入基區(qū)（即反向偏置的PN結(jié)的P區(qū)）。到這里有人可能會(huì)問出一個(gè)很“致命”的問題三極管到底怎么放大的？要說清這個(gè)問題其實(shí)很不容易，如果我們夠單純的話，從圖中很容易看出lc+lb=le（事實(shí)也的確如此），這個(gè)問題的關(guān)鍵在于為什么集電極電流和基區(qū)電流成固定比例關(guān)系（即這個(gè)P到底是啥）。我可以告訴大家一個(gè)簡(jiǎn)單的理解方法（雖然不準(zhǔn)確）一一大家知道基區(qū)其實(shí)是P型半導(dǎo)體，盡

8、管他很薄，但不可否認(rèn)他的里面還是有很多的空穴，當(dāng)電子路過基區(qū)想去集電區(qū)串門時(shí)基區(qū)的空穴就會(huì)在半路上攔截一部分的電子，但是畢竟寡不敵眾，大多數(shù)的電子還是流向了集電區(qū)，其實(shí)這種攔截能力正是B的體現(xiàn)，攔截下來的電子就是基極電流，沒攔住的則是集電極電流。這種攔截能力是三極管固有的能力，因此P值也基本上不會(huì)改變。終于把三極管的原理講完了，接下來就是這篇文章的重點(diǎn)（雖說是重點(diǎn)，但其實(shí)沒什么可講的，該講的都已經(jīng)說完了，剩下的靠自己悟了）三極管的輸出特性曲線。講之前，讓我們?cè)俅文ぐ菀幌逻@個(gè)圖吧：32飽和區(qū)*/S2-SOpA放大區(qū)血二血二輕止區(qū)為了更好的解釋著個(gè)問題，我做了一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真（Multisim）,電

9、路很簡(jiǎn)單，可能有些地方并不滿足實(shí)際需要，僅用于說明問題，電路如下（這里的R3用于調(diào)節(jié)偏置）：一、截止區(qū)這是最不需要廢話的一個(gè)區(qū)，不管你是怎么理解三極管的，這個(gè)區(qū)你總能理解對(duì)了，這里我說一下自己的理解（沿用上面關(guān)于三極管的解釋）當(dāng)基極電壓過小，以至于不能導(dǎo)通基極和發(fā)射極所構(gòu)成的PN結(jié)，這個(gè)時(shí)候，不管你Uce有多大，都不會(huì)產(chǎn)生集電極電流此時(shí)三極管處于截止區(qū)。仿真：此時(shí)R3=100Q；很顯然三極管是截止的，此時(shí)仿真結(jié)果如下（不解釋了，大家一看就懂）：J25.230也衛(wèi)盒砍九謖小1J*39.UDxMJjaHLEVLlS-p1|htlIatOis山剛yHOXi*HB即AlaM：WZ*.：Jffl：|SJ

10、E|ZME：|ESKmM18J=oYttffiVflSz廠丫W(wǎng)HWB：廠匝審fl阱柯hiizim*wjjitti-*ms：J-LEE：.i.忒平:PF-正&U弋二、飽和區(qū)很多人都覺得飽和區(qū)不好理解，其實(shí)也很簡(jiǎn)單，先解釋下原理一一當(dāng)Ube過大，lc也很大，這樣就導(dǎo)致集電極反向偏置電壓很小，于是PN結(jié)不再具備能將電子從基區(qū)拉到集電極的能力了，此時(shí)PN有可能出現(xiàn)正偏現(xiàn)象，即整個(gè)PN結(jié)就像是一跟導(dǎo)線一樣，這種情況下，如果提高Vc的大小，lc也會(huì)隨著提高。仿真：此時(shí)R3=47KQ；很顯然三極管是飽和的，此時(shí)仿真結(jié)果如下：大家之所以覺得不好理解，可能是因?yàn)轱柡蛢蓚€(gè)字的誤解，大家要清楚名字是人起的性質(zhì)確實(shí)天生的。就好像人一樣，名字有時(shí)候能反映一個(gè)人的一些特點(diǎn)（潛移默化的會(huì)影響），但看一個(gè)人的本性看名字是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。萬用t?SL*T2牛卓時(shí)冃L7：4iL714xd4玨J業(yè)忒StSSSnAdB-BU.417uVT2-T1.ajxav.?：L：.|Q-V-.：-l.0|t|,.：.Jx、Y,iT題陽55fsin