三極管工作原理

第第頁共9頁三極管工作原理兩種組合。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pnpm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1pnp(a)與npn(b)m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)"(forwardactive)，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。E8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。基極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）—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，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=IEIBrec=IEE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7PNP型三極管圖8NPN型三極管三極管的特性曲線1、輸入特性圖2(^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(1和II)表示即可。2)當UbeVUbeR時，Ib^O稱(0?UbeR)的區(qū)段為“死區(qū)”當Ube>UbeR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=(4Ube/4Ib)Q點，其估算公式為：rbe=rb+(0+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UbeV0時，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，鍺管約為幾微安至幾百微安，它與集電極反向電流Icbo的關系是：Icbo=(1+0)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約為1?10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8倍即Iceo=(1+B)IcbooIcbo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)81(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：01=Ic/Ib2、交流參數(shù)(1)交流電流放大系數(shù)8(或hfe)這是指共發(fā)射極接法，集電極輸出電流的變化量^^與基極輸入電流的變化量^乩之比，即：8=△Ic/△lb一般電晶體的8大約在10-200之間，如果8太小，電流放大作用差，如果8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)a(或hfb)這是指共基接法時，集電極輸出電流的變化是^^與發(fā)射極電流的變化量^^之比，即：a=△Ic/△Ie因為41。<413,故aV1。高頻三極管的a>0、90就可以使用a與8之間的關系：a=8/(1+8)8=a/(1-a)^1/(1-a)(3)截止頻率f8、fa當8下降到低頻時0、707倍的頻率，就什發(fā)射極的截止頻率f8;當a下降到低頻時的0、707倍的頻率，就什基極的截止頻率faof8、fa是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關系為：f8^(1—a)fa(4)特征頻率fT因為頻率f上升時，8就下降，當8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8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0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Vce>BVceo,管子就會被擊穿。(5)集電極最大允許耗散功率PCM集電流過1。，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=UceXIc、使用時慶使PcVPCM。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(Commonbasecircuit)、共射極電路(Commonemittercircuit)和共集極電路(Commoncollectorcircuit)，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，故多用作訊號放大使用。晶體三極管的放大作用晶體管是一個電流控制組件，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，用它來放大微弱的電信號，稱為晶體管的放大作用(Amplification)，簡稱晶體管放大。簡單來說，晶