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晶體三極管

2009年06月30日 14:05 本站整理 作者:佚名 用戶評(píng)論(0
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晶體三極管

一、三極管的電流放大原理

晶體三極管(以下簡(jiǎn)稱三極管)按材料分有兩種:儲(chǔ)管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式,但使用最多的是硅NPN和PNP兩種三極管,兩者除了電源極性不同外,其工作原理都是相同的,下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。

圖一是NPN管的結(jié)構(gòu)圖,它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成,從圖可見發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極。
當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí),發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài),而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí),集電結(jié)處于反偏狀態(tài),集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。
在制造三極管時(shí),有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的,同時(shí)基區(qū)做得很薄,而且,要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量,這樣,一旦接通電源后,由于發(fā)射結(jié)正確,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(電子)極基區(qū)的多數(shù)載流子(控穴)很容易地截越過發(fā)射結(jié)構(gòu)互相向反方各擴(kuò)散,但因前者的濃度基大于后者,所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流,這股電子流稱為發(fā)射極電流Ie。
由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏,注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電集電流Ic,只剩下很少(1-10%)的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合,被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)紀(jì)念給,從而形成了基極電流Ibo根據(jù)電流連續(xù)性原理得:
Ie=Ib+Ic
這就是說,在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib,就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic,這就是所謂電流放大作用,Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系,即:
β1=Ic/Ib
式中:β--稱為直流放大倍數(shù),
集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為:
β= △Ic/△Ib
式中β--稱為交流電流放大倍數(shù),由于低頻時(shí)β1和β的數(shù)值相差不大,所以有時(shí)為了方便起見,對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分,β值約為幾十至一百多。
三極管是一種電流放大器件,但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用,通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?/P>

二、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2(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)。

截止區(qū)和飽和區(qū)是三極管工作在開關(guān)狀態(tài)的區(qū)域,三極管和導(dǎo)通時(shí),工作點(diǎn)落在飽和區(qū),三極管截止時(shí),工作點(diǎn)落在截止區(qū)。

三、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,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
一般晶體管的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,就是共發(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,就是共基極的截止頻率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是全面地反映晶體管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,影響放大質(zhì)量。
(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。

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