（精選）三極管工作原理

1、結構與操作原理 三極管的基本結構是兩個反向連結的pn接面，如圖1所示，可有pnp和npn 兩種組合。三個接出來的端點依序稱為射極（emitter, E）、基極（base, B）和集 極（collector, C），名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關。圖中也顯示出 npn與pnp三極管的電路符號，射極特別被標出，箭號所指的極為n型半導體， 和二極體的符號一致。在沒接外加偏壓時，兩個pn接面都會形成耗盡區(qū)，將中 性的p型區(qū)和n型區(qū)隔開。             &#

2、160;  圖1 pnp(a)與npn(b)三極管的結構示意圖與電路符號。                三極管的電特性和兩個pn接面的偏壓有關，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

3、向偏壓會變窄，載體看到的位障變小，射極的電洞會注入到基極，基 極的電子也會注入到射極；而BC接面的耗盡區(qū)則會變寬，載體看到的位障變大， 故本身是不導通的。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 于三極管的兩個接面相當接近。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 方向擴散，同時也被電子復合。當沒有被復合的電洞到達BC接面的耗盡區(qū)時， 會被此區(qū)內的電場加速掃入集電極，電洞在集電極中為多數(shù)載體，很快藉由

4、漂移電流 到達連結外部的歐姆接點，形成集電極電流IC。 IC的大小和BC間反向偏壓的大小 關系不大?；鶚O外部僅需提供與注入電洞復合部分的電子流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 洞復合，即InB? E=IErec。pnp三極管在正向活性區(qū)時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)時主要的電流種類；(b)電洞電位能分布及 注入的情形；(

5、c)電子的電位能分布及注入的情形。               一般三極管設計時，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)個別畫出電洞 和電子的電位能分布及載體注入的情形。同時如果基極中性區(qū)的寬度WB愈窄， 電洞通過基極的時間愈短，被多數(shù)載體電子復合的機率愈低，到達集電極的有效電 洞流IpE? C愈大，基極必

6、須提供的復合電子流也降低，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，這里我們忽略這個反向飽和電流。 由圖4(a)，我們可以把各種電流的關系寫下來： 射極電流IE=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ IBrec + InB? E (1a) 基極電流IB= InB? E + IBrec= IErec + IBrec (1b) 集電極電流IC =IpE? C= IE - IErec - IBrec= IE - IB (1c) 式1c也可以寫成 IE = IC + IB 

7、0;             射極注入基極的電洞流大小是由EB接面間的正向偏壓大小來控制，和二極 體的情形類似，在啟動電壓附近，微小的偏壓變化，即可造成很大的注入電流變 化。更精確的說，三極管是利用VEB（或VBE）的變化來控制IC，而且提供之IB遠 比IC小。npn三極管的操作原理和pnp三極管是一樣的，只是偏壓方向，電流方 向均相反，電子和電洞的角色互易。pnp三極管是利用VEB控制由射極經(jīng)基極、 入射到集電極的電洞，而npn三極管則是利用VBE控制由射極經(jīng)基極、入射到集

8、電極 的電子，圖4是二者的比較。 經(jīng)過上面討論可以看出，三極管的效益可以由在正向活性區(qū)時，射極電流中 有多少比例可以到達集電極看出，這個比例習慣性定義作希臘字母           圖4 pnp三極管與npn三極管在正向活性區(qū)的比較。                而且a一定小于1。效益高的三極管，a可以比0.99大，也就是只有小于1%的射極 電流在基極與射

9、極內與基極的主要載體復合，超過99%的射極電流到達集電極！ 了解正向活性區(qū)的工作原理后，三極管在其他偏壓方式的工作情形就很容易理 解了。表1列出三極管四種工作方式的名稱及對應之BE和BC之pn接面偏壓方 式。反向活性區(qū)(reverse active)是將原來之集電極用作射極，原來的射極當作集電極， 但由于原來集電極之摻雜濃度較基極低，正向偏壓時由原基極注入到原集電極之載體 遠較原集電極注入基極的多，效益很差，也就是說和正向活性區(qū)相比，提供相同的 基極電流，能夠開關控制的集電極電流較少，a較小。在飽和區(qū)(saturation)，兩個 接面都是正向偏壓，射極和集電極同時將載體注入基極，基極因此堆積

10、很多少數(shù)載 體，基極復合電流大增，而且射極和集電極的電流抵銷，被控制的電流量減小。在 截止區(qū)(cut off)，BE和BC接面均不導通，各極間只有很小的反向飽和電流，三 極間可視作開路，也就是開關在關的狀態(tài)。  名稱正向活性區(qū)反向活性區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)(forward active) (reverse active) (saturation) (cut off ) BE 接面正向偏壓反向偏壓正向偏壓反向偏壓BC 接面反向偏壓正向偏壓正向偏壓反向偏壓用途線性信號放大器數(shù)字電路開關電路很少使用數(shù)字電路 開關電路數(shù)字電路 開關電路 工作模式射極結面極集結面飽和正向偏壓正向偏壓線性正向

11、偏壓反向偏壓反向反向偏壓正向偏壓截止反向偏壓反向偏壓               表中同時列出了四種工作方式的主要用途。 三極管在數(shù)字電路中的用途其實 就是開關，利用電信號使三極管在正向活性區(qū)（或飽和區(qū)）與截止區(qū)間切換，就 開關而言，對應開與關的狀態(tài)，就數(shù)字電路而言則代表0與1（或1與0）兩個 二進位數(shù)字。若三極管一直維持偏壓在正向活性區(qū)，在射極與基極間微小的電信 號（可以是電壓或電流）變化，會造成射極與集電極間電流相對上很大的變化，故 可用作信號放大器。

12、下面在介紹完三極管的電流電壓特性后，會再仔細討論三極管 的用途。 三極管截止與飽合狀態(tài)       截止狀態(tài)      三極管作為開關使用時，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，當三極管之基極不加偏壓或 加上反向偏壓使BE極截止時(BE極之特性和二極管相同，須加 上大于0.7V之正向偏壓時才態(tài)導通)，基極電流IB=0，因為IC= IB，所以IC=IE=0，此時CE極之間相當于斷路，負載無電流。   a)基極(B)不加偏

13、壓使   基極電流IB等于零 (b)基極(B)加上反向偏   壓使基極電流IB等于零(c)此時集極(C)與射極(E)    之間形同段路，負載無   電流通過                             &#

14、160;                            圖5 三極管截止狀態(tài)飽合狀態(tài)               飽合(saturation)狀態(tài):如圖6所示，當三極管之基

15、極加入駛 大的電流時，因為ICIE=×IB，射極和集極的電流亦非常大，此 時，集極與射極之間的電壓降非常低(VCE為0.4V以下)，其意義相 當于集極與射極之間完全導通，此一狀態(tài)稱為三極管飽合。 圖6 (a)基極加上足夠的順向                              &#

16、160;                 (b)此時C-E極之間視同            偏壓使IB足夠大                 

17、;                                            導通狀態(tài) 晶體管的電路符號和各三個電極的名稱如下 

18、   圖7 PNP型三極管          圖8 NPN型三極管  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的變化關系，其特點是：1）當Uce在0-2伏范圍內，曲線位置和形狀與Uce有關，但當Uce高于2伏后，曲線Uce基本無關通常輸入特性由兩條曲線（和）表示即可。 2）當UbeUbeR時，IbO稱（0UbeR)的區(qū)段為“死區(qū)”當UbeUbeR時，Ib隨Ube增加而增加，放大時，三極管工作在較直線的區(qū)段。 3

19、）三極管輸入電阻，定義為: rbe=(Ube/Ib)Q點，其估算公式為： rbe=rb+(+1)(26毫伏/Ie毫伏） rb為三極管的基區(qū)電阻，對低頻小功率管，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，它分為三個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。 截止區(qū)當Ube0時，則Ib0，發(fā)射區(qū)沒有電子注入基區(qū)，但由于分子的熱運動，集電集仍有小量電流通過，即Ic=Iceo稱為穿透電流，常溫時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的關系是： Icbo=(1+)Icbo 常溫時硅管的Icbo小于1微安，鍺

20、管的Icbo約為10微安，對于鍺管，溫度每升高12，Icbo數(shù)值增加一倍，而對于硅管溫度每升高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重的管，放大區(qū)，當晶體三極管發(fā)射結處于正偏而集電結于反偏工作時，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)當發(fā)射結和集電結均處于正偏狀態(tài)時，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)射結和集電結偏置情況，可能判別其工作狀態(tài)。         

21、0;        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，基極和集電極之間加上規(guī)定的反向電壓Vcb時的集電極反向電流，它只與溫度有關，在一定溫度下是個常數(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110微安，大功率鍺管的Icbo可達數(shù)毫安培，而硅管的Icbo則非常小，是毫微安級。 （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，集電極和發(fā)射極之間加上規(guī)定反向電壓Vce時的集電極電流。 Ice

22、o大約是Icbo的倍即Iceo=(1+)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，在發(fā)射極與基極之間加上規(guī)定的反向電壓時發(fā)射極的電流，它實際上是發(fā)射結的反向飽和電流。 （4）直流電流放大系數(shù)1（或hEF）這是指共發(fā)射接法，沒有交流信號輸入時，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即： 1=Ic/Ib 2、交流參數(shù) （1）交流電流放大系數(shù)（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： = Ic/Ib

23、 一般電晶體的大約在10-200之間，如果太小，電流放大作用差，如果太大，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)（或hfb）這是指共基接法時，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： =Ic/Ie 因為IcIe，故1。高頻三極管的0.90就可以使用 與之間的關系： = /（1+） = /（1-）1/（1-） （3）截止頻率f、f當下降到低頻時0.707倍的頻率，就什發(fā)射極的截止頻率f；當下降到低頻時的0.707倍的頻率，就什基極的截止頻率fo f、 f是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關系為： f（1-）f （4）特征頻率fT因為頻率f上升時

24、，就下降，當下降到1時，對應的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當集電極電流Ic增加到某一數(shù)值，引起值下降到額定值的2/3或1/2，這時的Ic值稱為ICM。所以當Ic超過ICM時，雖然不致使管子損壞，但值顯著下降，影響放大品質。 （2）集電極-基極擊穿電壓BVCBO當發(fā)射極開路時，集電結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。 （3）發(fā)射極-基極反向擊穿電壓BVEBO當集電極開路時，發(fā)射結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。 （4）集電極-發(fā)射極擊穿電壓BVCEO當基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，使用時如果VceBVceo，管子就會

25、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的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce×Ic.使用時慶使PcPCM。 PCM與散熱條件有關，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放大，直流信號放大和電路開關。晶體三極管偏置使用晶體管作放大用途時，必須在它的各電極上加上適當極性的電壓，稱為“偏置電壓”簡稱“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?shù)钠秒妷褐?，各電極上便有電流流動。 通

26、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 晶體管三個電極的電流有一定關系，公式如下 IE  IB IC晶體三極管的三種放大電路  三極管放大電路         當晶體管被用作放大器使用時，其中兩個電極用作信號 (待放大信號) 的輸入端子；兩個電極作為信號 (放大后的信號) 的輸出端子。 那么，晶體管三個電極中，必須有一個電極既是信號的輸入端子，又同時是信號的輸出端子，這個電極稱為輸入信號和輸出信號的公共電極。          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