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1、三极管及其应用电路一、 简述半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。其他的两个电极成为集电极（用字母c表示）和发射极（用字母e表示）。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。二、三极管的识别三极管的电路符号有两种：有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。基区：较薄，掺杂浓度低；发射区：掺杂浓度较高，多
2、子载流子多；集电区：面积较大。图2 NPN和PNP三极管的等效模型三、 三极管工作原理分析（详情参见华为模电资料）讲三极管的原理我们从二极管的原理入手讲起。我们知道二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。二极管的结构与原理都很简单，内部一个PN结具有单向导电性，如示意图B。很明显图示二极管处于反偏状态，PN结截止。我们要特别注意这里的截止状态，实际上PN结截止时，总是会有很小的漏电流存在，也就是说PN结总是存在着反向关不断的现象，PN结的单向导电性并不是百分之百。因为P区除了因“掺杂”而产生的多数载流子“空穴”之外，还总是会有极少数
3、的本征载流子“电子”出现。N区也是一样，除了多数载流子电子之外，也会有极少数的载流子空穴存在。由于PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场，而内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向通过，所以，多数载流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用，需要约0.7伏的外加电压，这是PN结正向导通的门电压。而反偏时，内电场在电源作用下会被加强也就是PN结加厚，少数载流子反向通过PN结时，内电场作用方向和少数载流子通过PN结的方向一致，也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有阻碍作用，甚至还会有帮助作用。结论：反偏时少数载流子反向通过PN结是比正偏时多数载流子正向通过PN结还要
4、容易。这就能解释为什么三极管在饱和状态下，集电极电位很低甚至会接近或稍低于基极电位，集电结处于零偏置，但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic产生。2）集电极电流Ic的形成：如图C，发射结加上正偏电压导通后，在外加电压的作用下，发射区的多数载流子电子就会很容易地被大量发射进入基区。这些载流子一旦进入基区，它们在基区（P区）的性质仍然属于少数载流子的性质。如前所述，少数载流子很容易反向穿过处于反偏状态的PN结，所以，这些载流子电子就会很容易向上穿过处于反偏状态的集电结到达集电区形成集电极电流Ic。由此可见，集电极电流的形成并不是一定要靠集电极的高电位。集电极电流的大小更主要的要取决于发射区载流子对基
5、区的发射与注入，取决于这种发射与注入的程度。所以说：Ic的本质是“少子”电流，是通过电子注入而实现的人为可控的集电结“漏”电流，因此它就可以很容易地反向通过集电结。这就可以证明：三极管在放大状态下，集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关的原因。放大状态下Ic并不受控于Vc，Vc的作用主要是维持集电结的反偏状态。3）Ic与Ib的关系：通过上面的讨论，现在已经明白，三极管在电流放大状态下，内部的主要电流就是由载流子电子由发射区经基区再到集电区贯穿三极管所形成。当三极管的基极B上加一个微小的电流IB时，在集电极C上可以得到一个是注入电流倍（电流放大系数）的电流，即集电极电流Ic（Ic=IB ）。集
6、电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。三极管的电流Ic主要是电子流。这种贯穿的电子流与历史上的电子三极管非常类似。如图E，图E就是电子三极管的原理示意图。电子三极管的电流放大原理因为其结构的直观形象，可以很自然得到解释。如图E所示，很容易理解，电子三极管Ib与Ic之间的固定比例关系，主要取决于电子管栅极（基极）的构造。当外部电路条件满足时，电子三极管工作在放大状态。在放大状态下，穿过管子的电流主要是由发射极经栅极再到集电极的电子流。电子流在穿越栅极时，很显然栅极会对其进行截流，截流时就存在着一个截流比问题。截流比的大小，则主
7、要与栅极的疏密度有关，如果栅极做的密，它的等效截流面积就大，截流比例自然就大，拦截下来的电子流就多。反之截流比小，拦截下来的电子流就少。栅极拦截下来的电子流其实就是电流Ib，其余的穿过栅极到达集电极的电子流就是Ic。从图中可以看出，只要栅极的结构尺寸确定，那么截流比例就确定，也就是Ic与Ib的比值确定。所以，只要管子的内部结构确定，的值就确定，这个比值就固定不变。由此可知，电流放大倍数的值主要与栅极的疏密度有关。栅极越密则截流比例越大，相应的值越低，栅极越疏则截流比例越小，相应的值越高。 其实晶体三极管的电流放大关系与电子三极管类似。晶体三极管的基极就相当于电子三极管的栅极，基区就相当于栅网，
8、只不过晶体管的这个栅网是动态的是不可见的。放大状态下，贯穿整个管子的电子流在通过基区时，基区与电子管的栅网作用相类似，会对电子流进行截流。如果基区做得薄，掺杂度低，基区的空穴数就会少，那么空穴对电子的截流量就小，这就相当于电子管的栅网比较疏一样。反之截流量就会大。与电子管不同的是，晶体管的截流主要是靠分布在基区的带正电的“空穴”对贯穿的电子流中带负电的“电子”中和来实现。所以，截流的效果主要取决于基区空穴的数量。而且，这个过程是个动态过程，“空穴”不断地与“电子”中和，同时“空穴”又不断地会在外部电源作用下得到补充。在这个动态过程中，空穴的等效总数量是不变的。基区空穴的总数量主要取决于掺“杂”
9、度以及基区的厚薄，只要晶体管结构确定，基区空穴的总定额就确定，其相应的动态总量就确定。这样，截流比就确定，晶体管的电流放大倍数的值就是定值。这就是为什么放大状态下，三极管的电流Ic与Ib之间会有一个固定的比例关系的原因。4）内部载流子的传输过程发射区：发射载流子；集电区：收集载流子；基区：传送和控制载流子（以NPN为例） IE = IEN+ IEPIC = ICN+ ICBOIB = IEP+ IBN- ICBO = IEP+ IEN - ICN ICBO = IE - IC3. 电流分配关系根据传输过程可知：IE=IB+ IC；IC= ICN+ ICBO通常 IC ICBO a 为电流放大系
10、数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。由载流子的传输过程可知，由于电子在基区的符合，发射区注入到基区的电子并非全部到达集电极，管子制成后，符合所占的比例就定了。也就是由发射区注入的电子传输到集电结所占的百分比时一定的。这个百分比用a表示。称为共基极电流放大系数，一般 a = 0.90.99 。根据 IE=IB+ IC；IC= ICN+ ICBO且令ICEO= (1+ b ) ICBO（穿透电流） b 是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 b 1 。四、三极管曲线特性三极管的曲线特性即指三极管的伏安特性曲线，它是描述三极管的各端
11、电流与两个PN结外加电压之间的关系的一种形式，其特点是能直观，全面地反映晶体管的电气性能的外部特性。包括输入特性曲线和输出特性曲线。4.1输入特性是指三极管输入回路中，加在基极和发射极的电压UBE与由它所产生的基极电流IB之间的关系。UCE=const即一个固定值。1）UCE = 0时，相当于集电极与发射极短路，此时，IB和UBE的关系就是发射结和集电结两个正向二极管并联的伏安特性。因为此时发射结和集电结均正偏，IB是发射区和集电区分别向基区扩散的电子电流之和。 2）UCE1V时，即：给集电结加上固定的反向电压，集电结的吸引力加强！使得从发射区进入基区的电子绝大部分流向集电极形成Ic。同时，在
12、相同的UBE值条件 下，流向基极的电流IB减小，即特性曲线右移。总之，晶体管的输入特性曲线与二极管的正向特性相似，因为b、e间是正向偏置的PN结（放大模式下）输入特性曲线图4.2输出特性通常是指在一定的基极电流IB控制下，三极管的集电极与发射极之间的电压UCE同集电极电流Ic的关系。IB=const即一个固定值。根据外加电压的不同，整个曲线可划分为四个区：放大区、截止区、饱和区、击穿区4.2.1）饱和区（Ic随UCE的增加而增加，即Ic受UCE显著控制的区域，该区域内UCE的数值较小，一般UCE 0.7V(硅管)，此时发射结正偏，集电结正偏）即：UCEIC，UCE0.3V ；在饱和模式下：UB
13、E0.7V，UBC0，当 IB 改变时，Ic 基本上不会随之而改变。晶体管饱和的程度将因IB和Ic的数值不同而改变，一般规定： 当 UCE=UBE 时的状态为临界饱和（UCB=0）； 当 UCEUBE 时的状态为过饱和；饱和时的UCE用UCES表示，三极管深度饱和时UCES很小，一般小功率管的UCE= UCES 0.3V，而锗管的UCES 0.1V，比硅管还要小，bIB IC , IB IBS。4.2.2）放大区（Ic平行于UCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时发射结正偏，集电结反偏，UCE 0.7V(硅管)）。即： IC=bIB , 且 DIC = b D IB , IC只与IB有关。在放大
14、模式下：UBE 0.7V, UBC IB；随着UCE的增加，曲线有些上翘。结论：在放大区，UBE 0.7V，UBCIB，具有很强的电流放大作用。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。 4.2.3截止区（IC接近零的区域，相当IB=0的曲线的下方，此时发射结反偏，集电结反偏） 即：UBE 死区电压（死区电压：硅管0.5V，锗管0.2V）， IB=0 ， IC=ICEO 0 ；在截止模式下：UBE0.7V，UBC0所以IB 0，IE = IC = 0结论：发射结反向偏
15、置时，晶体管是截止的。 4.2.4击穿区造成击穿的原因:当UCE增大时，UCB相应增大，导致集电结Jc的阻挡层宽度增宽，直到集电结与发射结相遇，基区消失，这时发射区的多子电子将直接受集电结电场的作用，引起集电极电流迅速增大，呈现类似击穿的现象。三极管的反向击穿主要表现为集电结的雪崩击穿。 五、三极管的工作特点1）为了在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管应该工作在输入特性的线性部分，而且始终工作在输出特性的放大区，任何时候都不能工作在截止区和饱和区。2）为了保证三极管工作在放大区，在组成放大电路时，外加的电源的极性应使三有管的发射结处于正向偏置状态，集电结则处于反向偏置状态。 3）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性并不完全理想（表现为曲线而非直线），因此放大后的波形仍有一定程度的非线性失真。4）由于三极管是一个非线性元件，其各项参数（如、rbe等）都不是常数，因此在分析三极管组成的放大电路时，不能简单地采用线性电路的分析方法。而放大
