三極管工作原理(20211123171613)

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。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

2、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

3、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

4、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； (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，

5、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 - iere

6、c - ibrec= ie - ib (1c) 式 1c 也可以寫成ie = ic + ib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控制由射極經基極、入射到集電極的電子，圖4 是二者的比較。經過上面討論可

7、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

8、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) (satur

9、ation) (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

10、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。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

11、 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 (b) 此時 c-e 極之間視同偏壓使 ib 足夠大導通狀態(tài)晶體管的電路符號和各三個電極的名稱如下圖 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

12、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）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 uc

13、e 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

14、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)。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

15、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。iceo 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)

16、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 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 ic ie，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-

17、）（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f o 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，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

18、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=uceic.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

19、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