三极管的工作原理,详细通俗易懂图文并茂.docx

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1、三极管的工作原理,详细通俗易懂图文并茂三极管的工作原理，详细、通俗易懂、图文并茂 一、很多初学者都会认为三极管是两个 PN 结的简单凑合。这种想法是错误的，两个二极管的组合不能形成一个三极管。我们以 NPN 型三极管为例，两个 PN 结共用了一个 P 区 基区，基区做得极薄，只有几微米到几十微米，正是靠着它把两个 PN 结有机地结合成一个不可分割的整体，它们之间存在着相互联系和相互影响，使三极管完全不同于两个单独的 PN 结的特性。三极管在外加电压的作用下，形成基极电流、集电极电流和发射极电流，成为电流放大器件。 二、三极管的电流放大作用与其物理结构有关，三极管内部进行的物理过程是十分复杂的，

2、初学者暂时不必去深入探讨。从应用的角度来讲，可以把三极管看作是一个电流分配器。一个三极管制成后，它的三个电流之间的比例关系就大体上确定了，用式子来表示就是 和 称为三极管的电流分配系数，其中 值大家比较熟悉，都管它叫电流放大系数。三个电流中，有一个电流发生变化，另外两个电流也会随着按比例地变化。例如，基极电流的变化量 I b 10 A ， 50 ，根据 I c I b 的关系式，集电极电流的变化量 I c 5010 500A ，实现了电流放大。 三、三极管自身并不能把小电流变成大电流，它仅仅起着一种控制作用，控制着电路里的电源，按确定的比例向三极管提供 I b 、 I c 和 I e 这三个电

3、流。为了容易理解，我们还是用水流比喻电流。这是粗、细两根水管，粗的管子内装有闸门，这个闸门是由细的管子中的水量控制着它的开启程度。如果细管子中没有水流，粗管子中的闸门就会关闭。注入细管子中的水量越大，闸门就开得越大，相应地流过粗管子的水就越多，这就体现出“以小控制大，以弱控制强”的道理。由图可见，细管子的水与粗管子的水在下端汇合在一根管子中。三极管的基极 b 、集电极 c 和发射极 e 就对应着图 4 中的细管、粗管和粗细交汇的管子。电路见图 5 ，若给三极管外加一定的电压，就会产生电流 I b 、 I c 和 I e 。调节电位器 RP 改变基极电流 I b ， I c 也随之变化。由于 I

4、 c I b ，所以很小的 I b 控制着比它大 倍的 I c 。 I c 不是由三极管产生的，是由电源 V CC 在 I b 的控制下提供的，所以说三极管起着能量转换作用。 四、如图5，假设三极管的=100，RP=200K，此时的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic=I b=2mA 当RP=0时，Ib=6v/100k=0.06mA，Ic=I b=2mA。以上两种状态都符合Ic=I b，我们说，三极管处于放大区。假设RP=0,Rb=1k,此时，Ib=6v/1k=6mA按Ic=I b计算，Ic应等于600mA，而实际上，由于图中300欧姆限流电阻的存在，实际上Ic=(6v/30

5、0)20mA,此时，IcI b，而且，Ic不再受Ib控制，即处于饱和区，当RP和Rb大到一定程度，使Ube死区电压(硅管约0.5V，锗管约0.3）此时be结处于不导通状态，Ib=0，则Ic=0，处于截止区。 五、单纯从“放大”的角度来看，我们希望 值越大越好。可是，三极管接成共发射极放大电路时，从管子的集电极 c 到发射极 e 总会产生一有害的漏电流，称为穿透电流 I ceo ，它的大小与 值近似成正比， 值越大， I ceo 就越大。 I ceo 这种寄生电流不受 I b 控制，却成为集电极电流 I c 的一部分， I c I b I ceo 。值得注意的是， I ceo 跟温度有密切的关系

6、，温度升高， I ceo 急剧变大，破坏了放大电路工作的稳定性。所以，选择三极管时，并不是 越大越好，一般取硅管 为 40 150 ，锗管取 40 80 。 六、在常温下，锗管的穿透电流比较大，一般由几十微安到几百微安，硅管的穿透电流就比较小，一般只有零点几微安到几微安。 I ceo 虽然不大，却与温度有着密切的关系，它们遵循着所谓的“加倍规则”，这就是温度每升高 10 ， I ceo 约增大一倍。例如，某锗管在常温 20 时， I ceo 为 20A ，在使用中管芯温度上升到 50 ， I ceo 就增大到 160A 左右。测量 I ceo 的电路很简单，三极管的基极开路，在集电极与发射极之

7、间接入电源 V CC ，串联在电路中的电流表所指示的电流值就是 I ceo 。 七、严格地说，三极管的 值不是一个不变的常数。在实际使用中，调整三极管的集电极电流 I ， 值会随着发生变化。一般说来，在 I c 很小或很大时， 值都比较小，在 1mA 以上相当宽的范围内，小功率管的 值都比较大，所以，同学们在调试放大电路时，要确定合适的工作电流 I c ，以获得最佳放大状态。另外， 值也和三极管的其它参数一样，跟温度有密切的关系。温度升高， 值相应变大。一般温度每升高 1 ， 值增加 0.5 1 。 八、三极管有一个极限参数叫集电极最大允许电流，用 I CM 表示。 I CM 常称为三极管的额

8、定电流，所以人们常常误认为超过了 I CM 值，由于过热会把管子烧坏。实际上，规定 I CM 值是为避免集电极电流太大时引起 值下降过多。一般把 值降低到它的最大值一半左右时的集电极电流定为集电极最大允许电流 I CM 。 九、三极管的电流放大系数 值还与电路的工作频率有关。在一定的频率范围内，可以认为 值是不随频率变化的，可是当频率升高到超过某一数值后， 值就会明显下降。为了保证三极管在高频时仍然具有足够的放大能力，人们规定：当频率升高到使 值下降到低频值 0 的 0.707 倍时，所对应的频率称为 截止频率，用 f 表示。 f 就是三极管接成共发射极电路时所允许的最高工作频率。 三极管 截

9、止频率 f 是在三极管接成共发射极放大电路时测定的。如果三极管接成共基极电路，随着频率的升高，其电流放大系数 值下降到低频值 o 的 0.707 倍时，所对应的频率称为 截止频率，用 f 表示。 f 反映了三极管共基极运用时的频率限制。在三极管产品系列中，常根据 f 的大小划分低频管和高频管。国家规定， f 3MHz 的为低频管， f 3MHz 的为高频管。 当频率高于 f 值后，继续升高频率， 值将随之下降，直到 1 ，三极管就失去了放大能力。为此，人们规定：在高频条件下， 1 时所对应的频率，称为特征频率，用 f T 表示。 f T 常作为标志三极管频率特性好坏的重要参数。在选择三极管时，

10、应使管子的特征频率 f T 比实际工作频率高出 3 5 倍。 f 与 f 的物理意义是相同的，仅仅是放大电路连接方式不同。理论分析和实验都可以证明，同一只三极管的 f 值远比 f 值要小，它们之间的关系为 f f 这就说明了共发射极电路的极限工作频率比共基极电路低得多。所以，高频放大和振荡电路大多采用共基极连 接。 对三极管放大作用的理解，切记一点：能量不会无缘无故的产生，所以，三极管 一定不会产生能量。 但三极管厉害的地方在于：它可以通过小电流去控制大电流。 放大的原理就在于：通过小的交流输入，控制大的静态直流。 假设三极管是个大坝，这个大坝奇怪的地方是，有两个阀门，一个大阀门，一个 小阀门

11、。小阀门可以用人力打开，大阀门很重，人力是打不开的，只能通过小阀 门的水力打开。 所以，平常的工作流程便是，每当放水的时候，人们就打开小阀门，很小的水流 涓涓流出，这涓涓细流冲击大阀门的开关，大阀门随之打开，汹涌的江水滔滔流 下。 如果不停地改变小阀门开启的大小，那么大阀门也相应地不停改变，假若能严格 地按比例改变，那么，完美的控制就完成了。 在这里，Ube就是小水流，Uce 就是大水流，人就是输入信号。当然，如果把水 流比为电流的话，会更确切，因为三极管毕竟是一个电流控制元件。 如果某一天，天气很旱，江水没有了，也就是大的水流那边是空的。管理员这时 候打开了小阀门，尽管小阀门还是一如既往地冲

12、击大阀门，并使之开启，但因为 没有水流的存在，所以，并没有水流出来。这就是三极管中的截止区。 饱和区是一样的，因为此时江水达到了很大很大的程度，管理员开的阀门大小已 经没用了。如果不开阀门江水就自己冲开了，这就是二极管的击穿。 在模拟电路中，一般阀门是半开的，通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。 没有信号的时候，水流也会流，所以，不工作的时候，也会有功耗。 而在数字电路中，阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候，阀门是完全 关闭的，没有功耗。 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、基

13、极和集 极，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 极体的符号一致。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

14、压。图2(a)为一 pnp 三极管在此偏压区的示意图。 EB 接面的 空乏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 形下，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

15、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。 InB? E在 射极与与电洞复合，即 InB?E=IErec。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 种情形下，电洞和电子的电位能的分布图比较。 图3 (a)

16、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 情形；(c)电子的电位能分布及注入的情形。 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形。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 基极电流 集电极电流