三极管的原理及作用及电路图.docx

三极管的原理及作用及电路图三极管原理 我以NPN三极管为例为你说明三极管的原理： 首先三极管是由两个P-N结够成，NPN三极管就是两头是N型，中间是P型。N端为电子端，P端为空穴端 在制造三极管时，要把发射区的N型半导体电子浓度做的很大，基区P型半导体做的很薄，当基极的电压大于发射极电压而小于集电极电压时，这时发射区的电子进入基区，进行复合，形成IE；但由于发射区的电子浓度很大，基区又很薄，电子就会穿过反向偏置的集电结到集电区的N型半导体里，形成IC；基区的空穴被复合后，基极的电压又会进行补给，形成IB。 晶体三极管具有放大、开关、振荡、混频、频率变换等作用，通常晶体三极管可以处理的功率至几百W，频率至几百MHz左右。 这样的晶体三极管是在一个本征半导体中由三层n型半导体和p型半导体构成的。 本章学习晶体三极管所具有的NPN型和PNP型结构以有晶体三极管的命名方法，并且从称为基极、集电极、发射极的三个电极中流过的电流值来研究晶体三极管中电流的流动方法和作用。然后，为了能够正确地作用晶体三极管，对晶体三极管的最大额定值、晶体三极管上施加的电压和电流的关系等进行分析。 2.1 晶体三极管是P型和N型半导体和有机组合 2.1.1 晶体三极管的各种各样形状和名称 晶体三极管有三只脚，有的金属壳相当于其中一只脚。如图2.1所示，对应于不同的用途，有各种各样形状的三极管。另外，晶体三极管的名称根据JIS C 7012，按图2.3所示那样决定。从晶体三极管的名称，我们可以了解其大致的用途和结构。 2.1.2 晶体三极管的结构和电路符号 晶体三极管按结构粗分有npn型和pnp型两种类型。 Npn型如图2.2(a)所示，两端是n型半导体，中间是p型半导体。Pnp 型如同图(b)所示，两端是p型半导体，中间是n型半导体。 在图2.2(a)、(b)中，被夹在中间的p型以及n型半导体部分，宽度只有数微米程度，非常的薄，这一部分称为基区。夹住基区的两个半导体中一个称为发射区，另一个称为集电区(collector:C)。还有，发射区和集电区，例如在npn型的情况下，虽然都是n型的，但发射区与集电区相比，具有杂质浓度高出数百倍，并且交界面面积小等在结构上的不同。 同图(c)、(d)是npn型以及pnp型晶体三极管的电路符号。发射极中电流的流向用箭头表示，当为npn型时箭头向外，当为pnp型时箭头向内。 2.2 晶体三极管究竟起着什么样的作用 2.2.1 对晶体三极管一加上电压，其作用就明白了 晶体三极管的工作原理 图2.4所示的是通过在晶体三极管的基极B、集电极C、发射极E上施加电压，来观察电压和电流关系的电路。 基极电流IB不流通时 在图2.4中，开关S一断开，则由于基极开路，所以IB就不流通。这时只对晶体三极管的C、E间施加电压VCE，观察IC、IE的变化，结果如表2.1所示。 基极电流流通时 在图2.4中，开关S一闭合，则由于B、E间加有电压，所以基极电流IB流通。这时，对应于VCE和IB的变化，IC和IE的变化如表2.2所示。 从表2.1、2.2的结果，可以看出晶体三极管具有以下的工作原理： 即使加有集电极电压，但在基极电流不流通时，集电极电流、发射极电流也都不流通。这样的状态称为晶体三极管的截止状态。 加上集电极电压，由基极电流的微量流通，在集电极可获得大的电流流通，这样的状态称为晶体三极管的导通状态。 基极电流流通时，即使改变集电极电压的大小，集电极电流的大小也不大变化。 使基极电流产生微小的变化，就可以使得集电极电流产生较大的变化。 基极电流与集电极电流之和变成发射极电流，因此，下面的关系式成立。 IE = IB + IC =+ 晶体三极管的作用 基极电流IB、集电极电流IC，也分别称为输入电流和输出电流，输出电流与输入电流相比有相当的增大，此现象称为放大。 这里，IC与IB的比称为直流电流放大倍数hFE，如下式所示： 晶体三极管的直流电流放大倍数的数值通常大多在501000左右的范围内。因此，根据中的第、条，晶体三极管具有在ON，OFF状态间转换的开关作用和放大作用。 2.2.2 晶体三极管中电子和空穴的运动 根据基极电流的有无，集电极中有无电流流通的原因在于晶体三极管中电子与空穴的运动。 基极电流不流通时 如图2.7所示，由于在C、B之间加上了反向电压，所以在C、B的pn结中的集电区域内的电子被E2的正电压吸引。因此，产生了耗尽层，没有从集电极向发射极的电子和空穴的移动，因而无电流流通。 基极电流流通时 如图2.8所示，由于在B、E之间加上了正电压，所以发射极区内的电子因E1的负电压被排斥，与进入基区的空穴结合。因为由于结合消失的电子，从电源E1的阴极得到补充，所以B、E之间电流流通。 当发射区的电子流入基极时，由于基区极薄，作为结合对象的空穴很少，因此电子中的大部分穿过基区进入集电区。然后一边扩散一边被E2的正电压吸引。 像这样，发射区的电子借助于施加在基极的正电压的力量，可将多余的电子送往集电区。即可以有较大的集电极电流流通。 2.2.3 晶体三极管电压的施加方法 到目前为止，我们叙述了有关npn型晶体三极管的工作原理，对pnp型若以空穴的运动为中心来考察的话，也是一样的。并且，为了使晶体三极管正常工作，若是npn型管，则如图2.8和图2.6(a)那样，若是pnp型管则如图2.6(b)那样，分别在B、E间加上正电压，在C、E间加上反向电压。即加上与发射极的箭头方向一致的两个电压。 2.3 晶体三极管的使用方法 2.3.1 为了不毁坏晶体三极管要遵守最大极限值 晶体三极管使用时与二极管一样，对于电压、电流、功率、温度等都有最大极限值，因为即使是瞬间超过所规定的最大极限值，管子也立即毁坏，所以使用时必须十分注意。晶体三极管的最大极限值有如下的一些参数。 集电极·基极间电压VCBO 如图2.10(a)所示，发射极开路，集电极-基极间的电压不断加大，则晶体三极管发生毁坏式的雪崩现象，集电极电流IC突然流出(参照同图(b) 这时的电压称为VCBO，V是voltage，C是集电极，B是基极，O是指C、B以外的电极即E为open的意思。VCBO的值越高越好，选择晶体三极管时，VCBO大约为所使用电源电压的两倍的管子较好。还有，同图(c)表示的是pnp型的情况。 集电极·发射极间电压VCEO 是基极开路时集电极-发射极间的电压，与VCBO的情况一样，是集电极电流突然流出时所对应的电压。即VCEO表示集电极·发射极间的耐压，通常，或与VCBO相等，或较其还要小。 发射极·基极间电压VEBO 是集电极开路时发射极-基极间的电压，是发射极电流突然流出时所对应的电压。即若将发射极-基极间作为pn结型二极管考虑，由VEBO就相当于二极管的反向耐压，表示发射极-基极间的耐压。 (d ) 最大允许集电极电流IC 是能够流过集电极的最大直流电流，又是交流电流的平均值。在选择晶体三极管时，选用额定值大约为通常使用状态最大电流的两倍以上的管子为好。特别是功率晶体三极管，绝不允许瞬间最大电流超过额定值。 最大允许集电极耗散功率PC 是集电极-发射极间消耗的功率，为集电极电流IC与集电极-发射极间电压VCE的乘积，即将PC=ICVCE称为集电极耗散功率。由于集电极的耗散功率在集电极的pn结内转换为热，导致晶体三极管内部温度上升，会烧坏管子。 这里，有关PC必须注意的问题是即使PC在额定值以内，但IC和VCE也不能超过其各自的额定值。例如，图2.12为晶体三极管2SC1815的情况，虚线表示PC和IC、VCE的最大极限，使用时绝不能采用虚线以下部分的值。 并且集电极的功耗还与周围温度Ta有关。即晶体三极管自身一被加热，周围的温度就上升，就导致集电极电流增加，晶体三极管则变得更热。如此反复地恶性循环称为热击穿，最终导致管子毁坏。因此，特别是对于功率三极管，散热板使用铝板和铁板制成。 还有，到目前为止讨论的周围温度通常为25C，在小型晶体三极管的场合，不需要散热板。 但是，周围温度一变为25C以上，散热效果就变差，晶体三极管所能允许的集电极功耗的值如图2.14所示变得小了。因此，小型晶体三极管的场合，最好选择晶体三极管的电源电压和使用时集电极电流的乘积在最大允许集电极功耗的一半以下。 结温Tj 是能够使晶体三极管正常工作的最大结温。通常锗管为7585C，硅管为125175C。 2.3.2 在电路设计中晶体三极管的电气特性具有重要作用 晶体三极管的电气特性表示三极管的性质，成为使三极管在最为有效的良好状态下工作的设计标准。 集电极截止电流ICBO 如图2.15所示，若在集电极-基极间加上反向电压，则集电极中流过极小的电流。这个电流称为集电极截止电流，该值越小的晶体三极管越好，但随着温度的上升和条件恶化，该值会变大。 直流电流放大系数hFE 如前所述，在直流情况下对应于基极电流的变化集电极电流变化的比率称为直流电流放大倍数。如果hFE的值在50以上，就可实际应用，但如图2.16所示由于受集电极电流和周围温度影响， hFE发生变化，所以规格表中记录的必定是测量值。 特征频率fT 是交流电流放大倍数hfe变为1时的频率，表征晶体三极管的高频特性。 集电极输出电容Cob 表示集电极和基极间的静电电容，该值大的晶体三极管，由于在高频时放大倍数下降，所以不适合用于高频。 (e) 噪声指数NF 是输出信号和输入信号中的噪声之比，越是对小信号进行放大的电路，越是要使用该值小的晶体三极管。 用万用表检测晶体三极管的好坏 如图2.9(a)、(b)所示，可以将发射极与基极间看作为一个pn结二极管，基极与集电极间看作为另一个pn结二极管，这两个二极管为背靠背串联连接。 因此，E、B间及B、C间若没有短路，则三极管就是正常的）。 用静态特性描述晶体三极管的伏安特性 我们虽然已经学习了有关晶体三极管的电压施加方法和管内电流的结构组成，但是在使用时还必须知道施加多大的电压会有多大的电流流通。这里，表征这一伏安行特性的曲线就是晶体三极管的静态特性。 只要把晶体三极管插入夹在称为示波器的仪器上，晶体三极管的静态特性就能立刻在显象管上描绘出来，也可以如图2.20所示，利用电压、电流表进行测定。同图中，发射极是与基极和集电极及电源的公共连接点，该电路用于测定VBE、VCE两个电压和IB、IC两个电流。 因此，可以画出四条特性曲线，但由于VCEVBE曲线几乎很少使用而常常省略，故主要使用下面三条曲线。 VBEIB特性曲线 保持VCE不变时的VBE和IB的关系。但是，因为该特性不大随VCE而变，所以通常VCE数伏才用一条特性曲线表示。 VCEIC特性曲线 保持IB不变时的VCE和IC的关系。 (c) IB-IC特性曲线 保持VCE不变时的IB和IC的关系。但是，VCE与在VBE-IB特性曲线中的情况一样，数伏特为一格。 本章小结 晶体三极管的结构和电路符号以及IB、IC、IE之间的关系 直流电流放大倍数hFE 集电极直流电流IC与基极直流电流IB之比：hFE=IC/IB 对晶体三极管施加电压的方法 在基极-发射极间加上正向电压，集电极-发射极间加上反向电压。 晶体三极管的极限参数 使用晶体三极管时，必须不超过如下的极限参数。集电极-基极间电压VCBO，集电极-发射极间电压VCEO，发射极-基极间电压VEBO，集电极电流IC，集电极功耗PC,pn结温度Tj。 晶体三极管的静态特性 是晶体三极管的伏-安特性的曲线图表示，常使用的特性曲线有以上三种：VBE-IB特性曲线；VCE-IC特性曲线；IB-IC特性曲线。 箭头方向总是从P结指向N的 三极管不仅可以做放大，还有别的用处 比如做镜像电流源，做混频器，或者连成二极管使用，这些是基本的功能，要能从连接方式看出其基本功能，初学者可以从分析它的工作区域开始。 TTL电路中，都是用若干三极管构成基本单元电路，把基本的与或非形式弄清楚就可以分析复杂功能了 测判三极管的口诀 三极管的管型及管脚的判别是电子技术初学者的一项基本功，为了帮助读者迅速掌握测判方法，笔者总结出四句口诀：“三颠倒，找基极；PN结，定管型；顺箭头，偏转大；测不准，动嘴巴。”下面让我们逐句进行解释吧。 一、 三颠倒，找基极 大家知道，三极管是含有两个PN结的半导体器件。根据两个PN结连接方式不同，可以分为NPN型和PNP型两种不同导电类型的三极管，图1是它们的电路符号和等效电路。 测试三极管要使用万用电表的欧姆挡，并选择R×100或R×1k挡位。图2绘出了万用电表欧姆挡的等效电路。由图可见，红表笔所连接的是表内电池的负极，黑表笔则连接着表内电池的正极。 假定我们并不知道被测三极管是NPN型还是PNP型，也分不清各管脚是什么电极。测试的第一步是判断哪个管脚是基极。这时，我们任取两个电极(如这两个电极为1、2)，用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻，观察表针的偏转角度；接着，再取1、3两个电极和2、3两个电极，分别颠倒测量它们的正、反向电阻，观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测量中，必然有两次测量结果相近：即颠倒测量中表针一次偏转大，一次偏转小；剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小，这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极(参看图1、图2不难理解它的道理)。 二、 PN结，定管型 找出三极管的基极后，我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型(图1)。将万用表的黑表笔接触基极，红表笔接触另外两个电极中的任一电极，若表头指针偏转角度很大，则说明被测三极管为NPN型管；若表头指针偏转角度很小，则被测管即为PNP型。 三、 顺箭头，偏转大 找出了基极b，另外两个电极哪个是集电极c，哪个是发射极e呢?这时我们可以用测穿透电流ICEO的方法确定集电极c和发射极e。 (1) 对于NPN型三极管，穿透电流的测量电路如图3所示。根据这个原理，用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec，虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小，但仔细观察，总会有一次偏转角度稍大，此时电流的流向一定是：黑表笔c极b极e极红表笔，电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致(“顺箭头”)，所以此时黑表笔所接的一定是集电极c，红表笔所接的一定是发射极e。 (2) 对于PNP型的三极管，道理也类似于NPN型，其电流流向一定是：黑表笔e极b极c极红表笔，其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是发射极e，红表笔所接的一定是集电极c(参看图1、图3可知)。 四、 测不出，动嘴巴 若在“顺箭头，偏转大”的测量过程中，若由于颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时，就要“动嘴巴”了。具体方法是：在“顺箭头，偏转大”的两次测量中，用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部，用嘴巴含住(或用舌头抵住)基电极b，仍用“顺箭头，偏转大”的判别方法即可区分开集电极c与发射极e。其中人体起到直流偏置电阻的作用，目的是使效果更加明显。 半导体三极管的分类 半导体三极管亦称双极型晶体管，其种类非常多。按照结构工艺分类，有PNP和NPN型；按照制造材料分类，有锗管和硅管；按照工作频率分类，有低频管和高频管；一般低频管用以处理频率在3MHz以下的电路中，高频管的工作频率可以达到几百兆赫。按照允许耗散的功率大小分类，有小功率管和大功率管；一般小功率管的额定功耗在1W以下，而大功率管的额定功耗可达几十瓦以上。常见的半导体三极管外型见图2.5.1。 半导体三极管的主要参数 共射电流放大系数。值一般在20200，它是表征三极管电流放大作用的最主要的参数。