三极管工作原理

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1、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

2、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

3、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

4、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) 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（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

5、(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 IE=IpE? B+ IErec = IpE? B+ InB? E =IpE? C+ IBrec + InB? E (1a) 基极电流 IB

6、= InB? E + IBrec= IErec + IBrec (1b) 集电极电流 IC =IpE? C= IE - IErec - IBrec= IE - IB (1c) 式 1c 也可以写成 IE = IC + IB 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 体的情形类似，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 VEB（或 VBE）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

7、 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 VBE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 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形就很容易理 解了。表 1 列出三

8、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

9、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。 正向活性区反向活性区饱和区截止区 名称 (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

10、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三极管截止与饱合状态截止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

11、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= 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 ICIE=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

12、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（和）表示即可。 2）当 UbeUbeR 时，IbO 称（0UbeR)的区段为“死区”当 UbeUbeR 时，Ib 随 Ube

13、 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+(+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 Ube0 时，则 Ib0，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，

14、它与集电极反向电流 Icbo 的关系是： Icbo=(1+)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

15、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 110 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 倍即 Iceo=(1+)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 1（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： 1=Ic/Ib 2、交流参数 （1）交流电流放大系数 （或 hfe）这