三极管的工作原理

结构与操作原理
三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有pnp和npn两种组合。三个接出来的端点依序称为射极（emitter, E）、基极（base, B）和集极（collector, C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体，和二极管的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中性的p型区和n型区隔开。

 

 

               图1 pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。

 

      三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”(forward active)，在此区EB极间的pn接面维持在正向偏压，而BC极间的pn接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。图2(a)为一pnp三极管在此偏压区的示意图。 EB接面的耗散区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，故本身是不导通的。图2(b)画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情况下，电洞和电子的电位能的分布图。三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例，射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时，会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。 IC的大小和BC间反向偏压的大小关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec，与由基极注入射极的电子流InB? E（这部分是三极管作用不需要的部分）。 InB? E在射极与与电洞复合，即InB? E=I_Erec。pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地在图3(a)中看出。

图2 (a)一pnp三极管偏压在正向活性区；(b)没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情况下，电洞和电子的电位能的分布图比较。

 

图3 (a) pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类；(b)电洞电位能分布及
注入的情况；(c)电子的电位能分布及注入的情况。

 

             一般三极管设计时，射极的掺杂浓度较基极的高许多，如此由射极注入基极的射极主要载体电洞（也就是基极的少数载体）IpE? B电流会比由基极注入射极 的载体电子电流InB? E大很多，三极管的效益比较高。图3(b)和(c)个别画出电洞和电子的电位能分布及载体注入的情况。同时如果基极中性区的宽度WB愈窄，电洞通过基极的时间愈短，被多数载体电子复合的机率愈低，到达集电极的有效电洞流IpE? C愈大，基极必须提供的复合电子流也降低，三极管的效益也就愈高。 集电极的掺杂通常最低，如此可增大CB极的崩溃电压，并减小BC间反向偏压的pn接面的反向饱和电流，这里我们忽略这个反向饱和电流。
由图4(a)，我们可以把各种电流的关系写下来：
射极电流I_E=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ I_Brec + InB? E (1a)
基极电流IB= InB? E + I_Brec= I_Erec + I_Brec (1b)
集电极电流I_C =IpE? C= I_E - I_Erec - I_Brec= I_E - I_B (1c)
式1c也可以写成
I_E = I_C + I_B

              射极注入基极的电洞流大小是由EB接面间的正向偏压大小来控制，和二极管的情况类似，在启动电压附近，微小的偏压变化，即可造成很大的注入电流变化。更精确的说，三极管是利用V_EB（或V_BE）的变化来控制IC，而且提供之IB远比IC小。npn三极管的操作原理和pnp三极管是一样的，只是偏压方向，电流方向均相反，电子和电洞的角色互易。pnp三极管是利用VEB控制由射极经基极、入射到集电极的电洞，而npn三极管则是利用V_BE控制由射极经基极、入射到集电极的电子，图4是二者的比较。经过上面讨论可以看出，三极管的效益可以由在正向活性区时，射极电流中有多少比例可以到达集电极看出，这个比例习惯性定义作希腊字母α

 

 

 

        图4 pnp三极管与npn三极管在正向活性区的比较。

 

        而且a一定小于1。效益高的三极管，a可以比0.99大，也就是只有小于1%的射极电流在基极与射极内与基极的主要载体复合，超过99%的射极电流到达集电极了解正向活性区的工作原理后，三极管在其他偏压方式的工作情况就很容易理解了。表1列出三极管四种工作方式的名称及对应之BE和BC之pn接面偏压方式。反向活性区(reverse active)是将原来之集电极用作射极，原来的射极当作集电极，但由于原来集电极之掺杂浓度较基极低，正向偏压时由原基极注入到原集电极之载体远较原集电极注入基极的多，效益很差，也就是说和正向活性区相比，提供相同的基极电流，能够开关控制的集电极电流较少，a较小。在饱和区(saturation)，两个接面都是正向偏压，射极和集电极同时将载体注入基极，基极因此堆积很多少数载体，基极复合电流大增，而且射极和集电极的电流抵销，被控制的电流量减小。在截止区(cut off)，BE和BC接面均不导通，各极间只有很小的反向饱和电流，三
极间可视作开路，也就是开关在关的状态。

 

名称	正向活性区	反向活性区	饱和区	截止区
	(forward active)	(reverse active)	(saturation)	(cut off )
BE 接面	正向偏压	反向偏压	正向偏压	反向偏压
BC 接面	反向偏压	正向偏压	正向偏压	反向偏压
用途	线性信号放大器 数字电路 开关电路	很少使用	数字电路 开关电路	数字电路 开关电路

 

工作模式	射极结面	极集结面
饱和	正向偏压	正向偏压
线性	正向偏压	反向偏压
反向	反向偏压	正向偏压
截止	反向偏压	反向偏压

 

   表中同时列出了四种工作方式的主要用途。 三极管在数字电路中的用途其实就是开关，利用电信号使三极管在正向活性区（或饱和区）与截止区间切换，就开关而言，对应开与关的状态，就数字电路而言则代表0与1（或1与0）两个二进位数字。若三极管一直维持偏压在正向活性区，在射极与基极间微小的电信号（可以是电压或电流）变化，会造成射极与集电极间电流相对上很大的变化，故可用作信号放大器。下面在介绍完三极管的电流电压特性后，会再仔细讨论三极管的用途。

 

三极管截止与饱合状态

 

      截止状态

      三极管作为开关使用时，仍是处于下列两种状态下工作。
1.截止(cut off)状态:如图5所示，当三极管之基极不加偏压或加上反向偏压使BE极截止时(BE极之特性和二极管相同，须加上大于0.7V之正向偏压时才态导通)，基极电流IB=0，因为IC=β

IB，所以IC=IE=0，此时CE极之间相当于断路，负载无电流。

 

a)基极(B)不加偏压使    基极电流IB等于零	(b)基极(B)加上反向偏    压使基极电流IB等于零	(c)此时集极(C)与射极(E)    之间形同段路，负载无    电流通过

           图5 三极管截止状态               

饱合状态

饱合(saturation)状态:如图6所示，当三极管之基极加入驶大的电流时，因为IC≒IE=β×IB，射极和集极的电流亦非常大，此时，集极与射极之间的电压降非常低(VCE为0.4V以下)，其意义相当于集极与射极之间完全导通，此一状态称为三极管饱合。

图6 (a)基极加上足够的顺向                           (b)此时C-E极之间视同 

       偏压使IB足够大                                  导通状态
 

 晶体管的电路符号和各三个电极的名称如下

 

    图7 PNP型三极管          图8 NPN型三极管 

 

三极管的特性曲线
1、输入特性
图2 （b)是三极管的输入特性曲线，它表示Ib随Ube的变化关系，其特点是：1）当Uce在0-2伏范围内，曲线位置和形状与Uce有关，但当Uce高于2伏后，曲线Uce基本无关通常输入特性由两条曲线（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。
2）当Ube＜UbeR时，Ib≈O称（0～UbeR)的区段为“死区”当Ube＞UbeR时，Ib随Ube增加而增加，放大时，三极管工作在较直线的区段。
3）三极管输入电阻，定义为:
rbe=(△Ube/△Ib)Q点，其估算公式为：
rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏）
rb为三极管的基区电阻，对低频小功率管，rb约为300欧。
2、输出特性
输出特性表示Ic随Uce的变化关系（以Ib为参数）从图9（C）所示的输出特性可见，它分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。
截止区当Ube＜0时，则Ib≈0，发射区没有电子注入基区，但由于分子的热运动，集电集仍有小量电流通过，即Ic=Iceo称为穿透电流，常温时Iceo约为几微安，锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流Icbo的关系是：
Icbo=(1+β)Icbo
常温时硅管的Icbo小于1微安，锗管的Icbo约为10微安，对于锗管，温度每升高12℃，Icbo数值增加一倍，而对于硅管温度每升高8℃， Icbo数值增大一倍，虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈，但由于锗管的Icbo值本身比硅管大，所以锗管仍然受温度影响较严重的管，放大区，当晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时，Ic随Ib近似作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。
饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时，Ic基本上不随Ib而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。

 

                  图9

 

三极管的主要参数
1、直流参数
（1）集电极一基极反向饱和电流Icbo，发射极开路（Ie=0)时，基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb时的集电极反向电流，它只与温度有关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管，Icbo很小，小功率锗管的Icbo约为1～10微安，大功率锗管的Icbo可达数毫安培，而硅管的Icbo则非常小，是毫微安级。
（2）集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流）基极开路（Ib=0）时，集电极和发射极之间加上规定反向电压Vce时的集电极电流。 Iceo大约是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)Icbo o Icbo和Iceo受温度影响极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率锗管的Iceo比硅管大。
（3）发射极---基极反向电流Iebo集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。
（4）直流电流放大系数β1（或hEF）这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即：
β1=Ic/Ib
2、交流参数
（1）交流电流放大系数β（或hfe）这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量△Ic与基极输入电流的变化量△Ib之比，即：
β= △Ic/△Ib
一般电晶体的β大约在10-200之间，如果β太小，电流放大作用差，如果β太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。
（2）共基极交流放大系数α（或hfb）这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是△Ic与发射极电流的变化量△Ie之比，即：
α=△Ic/△Ie
因为△Ic＜△Ie，故α＜1。高频三极管的α＞0.90就可以使用
α与β之间的关系：
α= β/（1+β）
β= α/（1-α）≈1/（1-α）
（3）截止频率fβ、fα当β下降到低频时0.707倍的频率，就什发射极的截止频率fβ；当α下降到低频时的0.707倍的频率，就什基极的截止频率fαo fβ、 fα是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：
fβ≈（1-α）fα
（4）特征频率fT因为频率f上升时，β就下降，当β下降到1时，对应的fT是全面地反映电晶体的高频放大性能的重要参数。
3、极限参数
（1）集电极最大允许电流ICM当集电极电流Ic增加到某一数值，引起β值下降到额定值的2/3或1/2，这时的Ic值称为ICM。所以当Ic超过ICM时，虽然不致使管子损坏，但β值显著下降，影响放大品质。
（2）集电极----基极击穿电压BVCBO当发射极开路时，集电结的反向击穿电压称为BVEBO。
（3）发射极-----基极反向击穿电压BVEBO当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为BVEBO。
（4）集电极-----发射极击穿电压BVCEO当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果Vce＞BVceo，管子就会被击穿。
（5）集电极最大允许耗散功率PCM集电流过Ic，温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即Pc=Uce×Ic.使用时庆使Pc＜PCM。
PCM与散热条件有关，增加散热片可提高PCM。

 

 晶体三极管用途 

 

 晶体三极管的用途主要是交流信号放大，直流信号放大和电路开关。

 

晶体三极管偏置

使用晶体管作放大用途时，必须在它的各电极上加上适当极性的电压，称为“偏置电压”简称“偏压”， 又“偏置偏流”。电路组成上叫偏置电路。

晶体管各电极加上适当的偏置电压之后，各电极上便有电流流动。 通过发射极的电流称为“射极电流”，用IE表示；通过基极的电流称为“基极电流”，用IB表示；通过集电极的电流称为“集极电流”，用IC表示。

              图10

 

晶体管三个电极的电流有一定关系，公式如下

 

IE ＝ IB ＋IC

晶体三极管的三种放大电路

 三极管放大电路

        当晶体管被用作放大器使用时，其中两个电极用作信号 (待放大信号) 的输入端子；两个电极作为信号 (放大后的信号) 的输出端子。 那么，晶体管三个电极中，必须有一个电极既是信号的输入端子，又同时是信号的输出端子，这个电极称为输入信号和输出信号的公共电极。 

         按晶体管公共电极的不同选择，晶体管放大电路有三种：共基极电路 ( Common base circuit)、共射极电路(Common emitter circuit) 和 共集极电路(Common collector circuit)，如下图示。

                                图11

由于共射极电路放大电路的电流增益和电压增益均较其它两种放大电路为大，故多用作讯号放大使用。

 晶体三极管的放大作用
晶体管是一个电流控制组件，其集极电流 IC可以由基极电流IB控制，只需轻微的改变基流IB就可以引起很大的集流变化IC。
由于晶体管基流IB的轻微变化可以控制较大的集流IC，我们利用这一特点，用它来放大微弱的电信号，称为晶体管的放大作用 (Amplification)，简称晶体管放大。
简单来说，晶体管的放大原理是把微弱的电信号 (微弱的电压信号 Vi) 加在基极上，使基极电流按电信号变化，通过晶体管的电流控制作用，就可以在负载上得到与原信号变化一样，但增强了的电信号 (较大的电压信号 Vo)。

                   图12

共射极放大电路

 

单电源供电的共射极放大电路如下：

 

        图13

 

 

 

VCC	-----	电源电压	(V)		VCE	-----	集射极电压	(V)
IB	-----	基极电流	(A)		VBE	-----	基射极电压	(V)
IC	-----	集极电流	(A)		RB	-----	基极电阻 (偏压电阻)	(Ω)
IE	-----	射极电流	(A)		RC / RL	-----	集极电阻 (负载电阻)	(Ω)

 

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三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。

 

下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所 示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发 射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电 流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把 β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变 化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。 我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。

三 极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大 到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一 个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小 信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的 信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极 电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。

下 面说说三极管的饱和情况。像上面那样的图，因为受到电阻Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增 加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*β〉Ic。进入饱和状态之 后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为 0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管 我们一般把它叫做开关管。

如 果我们在上面这个图中，将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。如果基极电流比较大时（大于流过灯泡的电流除以三极管的 放大倍数β），三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电 流的通断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。