全面剖析三極管工作原理

對(duì)三極管放大作用的理解，切記一點(diǎn)：能量不會(huì)無緣無故的產(chǎn)生，所以，三極管一定不會(huì)產(chǎn)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(shè)三極管是個(gè)大壩，這個(gè)大壩奇怪的地方是，有兩個(gè)閥門，一個(gè)大閥門，一個(gè)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(dāng)放水的時(shí)候，人們就打開小閥門，很小的水流涓涓流出，這涓涓細(xì)流沖擊大閥門的開關(guān)，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(yīng)地不停改變，假若能嚴(yán)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(hào)。當(dāng)然，如果把水流比為電流的話，會(huì)更確切，因?yàn)槿龢O管畢竟是一個(gè)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(shí)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?yàn)闆]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?yàn)榇藭r(shí)江水達(dá)到了很大很大的程度，管理員開的閥門大小已經(jīng)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(hào)的時(shí)候，水流也會(huì)流，所以，不工作的時(shí)候，也會(huì)有功耗。

而在數(shù)字電路中，閥門則處于開或是關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)不工作的時(shí)候，閥門是完全關(guān)閉的，沒有功耗。

**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)接出來的端點(diǎn)依序稱為射極（emitter, E）、基極（base, B）和集 極（collector, C），名稱來源和它們?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。

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。

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)系寫來： 射極電流 基極電流集電極電流

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=β IB，所以IC=IE=0，此時(shí)CE極之間相當(dāng)于斷路，負(fù)載無電流。

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)三極管之基極加入駛 大的電流時(shí)，因?yàn)镮C≒IE=β×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。

晶體管的電路符號(hào)和各三個(gè)電極的名稱如下：

**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基本無關(guān)通常輸入特性由兩條曲線（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。

2）當(dāng)Ube＜UbeR時(shí)，Ib≈O稱（0～UbeR)的區(qū)段為“死區(qū)”當(dāng)Ube＞UbeR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+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏）

rb為三極管的基區(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)Ube＜0時(shí)，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(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+β)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(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1～10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β倍即Iceo=(1+β)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)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)β1（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：

β1=Ic/Ib

**2、交流參數(shù) **

（1）交流電流放大系數(shù)β（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：

β= △Ic/△Ib

一般電晶體的β大約在10-200之間，如果β太小，電流放大作用差，如果β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)α（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：

α=△Ic/△Ie

因?yàn)椤鱅c＜△Ie，故α＜1。高頻三極管的α＞0.90就可以使用

α與β之間的關(guān)系：

α= β/（1+β）

β= α/（1-α）≈1/（1-α）

（3）截止頻率fβ、fα當(dāng)β下降到低頻時(shí)0.707倍的頻率，就什發(fā)射極的截止頻率fβ；當(dāng)α下降到低頻時(shí)的0.707倍的頻率，就什基極的截止頻率fαo fβ、 fα是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關(guān)系為：

fβ≈（1-α）fα

（4）特征頻率fT因?yàn)轭l率f上升時(shí)，β就下降，當(dāng)β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增加到某一數(shù)值，引起β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β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Vce＞BVceo，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。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Pc＜PCM。

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?，各電極上便有電流流動(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。

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 ＋I(xiàn)C

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(Common collector circuit)，如下圖示。

圖11

由于共射極電路放大電路的電流增益和電壓增益均較其它兩種放大電路為大，故多用作訊號(hào)放大使用。

晶體三極管的放大作用晶體管是一個(gè)電流控制組件，其集極電流 IC可以由基極電流IB控制，只需輕微的改變基流IB就可以引起很大的集流變化IC。由于晶體管基流IB的輕微變化可以控制較大的集流IC，我們利用這一特點(diǎn)，用它來放大微弱的電信號(hào)，稱為晶體管的放大作用 (Amplification)，簡(jiǎn)稱晶體管放大。簡(jiǎn)單來說，晶體管的放大原理是把微弱的電信號(hào) (微弱的電壓信號(hào) Vi) 加在基極上，使基極電流按電信號(hào)變化，通過晶體管的電流控制作用，就可以在負(fù)載上得到與原信號(hào)變化一樣，但增強(qiáng)了的電信號(hào) (較大的電壓信號(hào) Vo)。