三极管的工作原理

1、三极管的工作原理对三极管放大作用的理解，切记一点:能量不会无缘无故的产生，所以,三极管一定不会产生能量。 但三极管厉害的地方在于：它可以通过小电流去控制大电流。放大的原理就在于:通过小的交流输入，控制大的静态直流. 假设三极管是个大坝，这个大坝奇怪的地方是，有两个阀门，一个大阀门，一个小阀门.小阀门可以用人力打开,大阀门很重,人力是打不开的，只能通过小阀门的水力打开.所以,平常的工作流程便是，每当放水的时候，人们就打开小阀门,很小的水流涓涓流出，这涓涓细流冲击大阀门的开关，大阀门随之打开,汹涌的江水滔滔流下。如果不停地改变小阀门开启的大小，那么大阀门也相应地不停改变,假若能严格地按比例改变，那么,完美的控制就完成了。 在这里,Ue就是小水流，Uce就是大水流，人就是输入信号。当然,如果把水流比为电流的话,会更确切，因为三极管毕竟是一个电流控制元件。 如果某一天,天气很旱，江水没有了，也就是大的水流那边是空的。管理员这时候打开了小阀门，尽管小阀门还是一如既往地冲击大阀门，并使之开启，但因为没有水流的存在,所以，并没有水流出来.这就是三极管中的截止区.饱和区是一样的，因为此时江水达到了很大

2、很大的程度,管理员开的阀门大小已经没用了。如果不开阀门江水就自己冲开了，这就是二极管的击穿. 在模拟电路中，一般阀门是半开的,通过控制其开启大小来决定输出水流的大小.没有信号的时候,水流也会流，所以，不工作的时候，也会有功耗。 而在数字电路中,阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候，阀门是完全关闭的，没有功耗。 结构与操作原理三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面,如图所示,可有pnp和npn 两种组合.三个接出来的端点依序称为射极（miter，E）、基极（base, )和集 极(coller， C)，名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 n与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体， 和二极体的符号一致。在没接外加偏压时,两个pn接面都会形成耗尽区,将中 性的p型区和n型区隔开. 图1 np(a)与pn（b）三极管的结构示意图与电路符号。 三极管的电特性和两个n接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类,这里 我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”（forward actv）,在此区EB极间的n接面维持在正向偏压，而BC极间的pn接面则在反

3、向偏压，通常用作放大器的三极管 都以此方式偏压。图2（a)为一n三极管在此偏压区的示意图. EB接面的空乏区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小,射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大， 故本身是不导通的.图2(b）画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形下，电洞和电子的电位能的分布图。 三极管和两个反向相接的n二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在 于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例， 射极的电洞注入基极的型中性区,马上被多数载体电子包围遮蔽,然后朝集电极 方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时，会被此区内的电场加速扫入集电极,电洞在集电极中为多数载体,很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。IC的大小和BC间反向偏压的大小 关系不大.基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流Irec，与由基极注入 射极的电子流IB？ E（这部分是三极管作用不需要的部分).InB?E在射极与与电 洞复合，即InB?rec。np三极管在正向活性区时

4、主要的电流种类可以清楚地在图3(a）中看出。 图()一p三极管偏压在正向活性区;（b）没外加偏压，和偏压在正向 活性区两种情形下，电洞和电子的电位能的分布图比较。 图3 （）np三极管在正向活性区时主要的电流种类；（b)电洞电位能分布及 注入的情形;（c）电子的电位能分布及注入的情形. 一般三极管设计时,射极的掺杂浓度较基极的高许多，如此由射极注入基极的射极主要载体电洞（也就是基极的少数载体)p? B电流会比由基极注入射极 的载体电子电流B？ E大很多，三极管的效益比较高.图（b）和（c）个别画出电洞 和电子的电位能分布及载体注入的情形。同时如果基极中性区的宽度B愈窄, 电洞通过基极的时间愈短，被多数载体电子复合的机率愈低，到达集电极的有效电 洞流pE？ C愈大,基极必须提供的复合电子流也降低,三极管的效益也就愈高。集电极的掺杂通常最低，如此可增大C极的崩溃电压，并减小B间反向偏压的pn接面的反向饱和电流，这里我们忽略这个反向饱和电流. 由图4(a），我们可以把各种电流的关系写下来:射极电流 基极电流集电极电流三极管的工作原理（2)2010年3月08日星期一11:07三极管截止与饱合状

5、态截止状态 三极管作为开关使用时，仍是处于下列两种状态下工作. 。截止（cu of）状态:如图所示，当三极管之基极不加偏压或加上反向偏压使极截止时（BE极之特性和二极管相同，须加 上大于.7V之正向偏压时才态导通）,基极电流IB0,因为IC=B,所以IC=I=0,此时C极之间相当于断路，负载无电流。 ）基极（B）不加偏压使 基极电流IB等于零（b)基极(B)加上反向偏 压使基极电流IB等于零（c)此时集极(C）与射极(E) 之间形同段路,负载无电流通过 图5 三极管截止状态饱合状态 饱合（satution）状态:如图6所示，当三极管之基极加入驶 大的电流时，因为ICIE,射极和集极的电流亦非常大,此 时，集极与射极之间的电压降非常低(VC为0.4以下）,其意义相 当于集极与射极之间完全导通，此一状态称为三极管饱合。 图6 (a）基极加上足够的顺向(）此时CE极之间视同偏压使IB足够大 导通状态晶体管的电路符号和各三个电极的名称如下 图7 PNP型三极管图8 NPN型三极管 三极管的特性曲线 1、输入特性 图2 （)是三极管的输入特性曲线,它表示Ib随Ue的变化关系，其特点是:1）当Uc

6、e在0-伏范围内，曲线位置和形状与Uce有关，但当Uce高于伏后，曲线Uc基本无关通常输入特性由两条曲线（和)表示即可. )当beUbe时，IbO称(0UbeR）的区段为“死区当beUbeR时，Ib随e增加而增加,放大时,三极管工作在较直线的区段. 3）三极管输入电阻，定义为： re=(b/Ib)Q点，其估算公式为：rbe=r+（+1)（6毫伏/Ie毫伏） r为三极管的基区电阻，对低频小功率管，b约为0欧。 2、输出特性 输出特性表示I随Uce的变化关系（以b为参数）从图9（C）所示的输出特性可见,它分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。截止区当Ub0时,则Ib0,发射区没有电子注入基区,但由于分子的热运动，集电集仍有小量电流通过，即Icceo称为穿透电流，常温时ceo约为几微安,锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流Icbo的关系是：cbo=（1)cb 常温时硅管的Icbo小于1微安，锗管的co约为10微安,对于锗管，温度每升高2，Icbo数值增加一倍，而对于硅管温度每升高8， Ico数值增大一倍，虽然硅管的Ic随温度变化更剧烈，但由于锗管的Icb值本身比硅管大，所以锗管仍然

7、受温度影响较严重的管,放大区，当晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时，Ic随Ib近似作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。 饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时，Ic基本上不随Ib而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。 图三极管的主要参数1、直流参数 （1）集电极一基极反向饱和电流Ico，发射极开路(I=0)时，基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb时的集电极反向电流，它只与温度有关,在一定温度下是个常数,所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管,Icbo很小，小功率锗管的cbo约为11微安，大功率锗管的Icbo可达数毫安培,而硅管的Icbo则非常小,是毫微安级. (）集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流）基极开路(Ib=）时，集电极和发射极之间加上规定反向电压ce时的集电极电流. Ice大约是Icbo的倍即Ieo=(1+）Ib o Ic和Io受温度影响极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数,其值越小,性能越稳定,小功率锗管的Ice比硅管大。（3)发射极-基极反向电流Ib集电极开路时,在发射极与基极之间加上规定的

8、反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流. （4)直流电流放大系数(或hEF)这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即：1=Ic/I 2、交流参数 （1）交流电流放大系数（或e）这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量Ic与基极输入电流的变化量Ib之比，即: = c/b 一般电晶体的大约在10-20之间，如果太小,电流放大作用差，如果太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。 （2）共基极交流放大系数(或hb）这是指共基接法时,集电极输出电流的变化是Ic与发射极电流的变化量之比，即： =IcIe 因为Ic0.9就可以使用 与之间的关系： /(+) = ()1/（） (3）截止频率f、当下降到低频时0.07倍的频率，就什发射极的截止频率;当下降到低频时的0。7倍的频率，就什基极的截止频率o f、f是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为: f（-）f （4）特征频率fT因为频率上升时，就下降，当下降到1时，对应的fT是全面地反映电晶体的高频放大性能的重要参数。3、极限参数 （)集电极最大允许电流ICM当集电极电流c增加到某一数值，引起值下降到额定值的2/3或1/2,这时的Ic值称为ICM。所以当超过ICM时,虽然不致使管子损坏,但值显著下降，影响放大品质.（2）集电极基极击穿电压BVCO当发射极开路时,集电结的反向击穿电压称为BVEO。 （3）发射极-基极反向击穿电压BVEO当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为BVEO。 （4）集电极-发射极击穿电压BVCO当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果VBVe,管子就会被击穿。（5）

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