三极管的工作原理详细通俗易懂图文并茂.docx

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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

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（如图1）。

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（见图2），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，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（见图3），用式子来表示就是

      五、单纯从“放大”的角度来看，我们希望β值越大越好。

可是，三极管接成共发射极放大电路（图6）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Iceo，它的大小与β值近似成正比，β值越大，Iceo就越大。

Iceo这种寄生电流不受Ib控制，却成为集电极电流Ic的一部分，Ic＝βIb＋Iceo。

值得注意的是，Iceo跟温度有密切的关系，温度升高，Iceo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β越大越好，一般取硅管β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。

Iceo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℃，Iceo约增大一倍。

例如，某锗管在常温20℃时，Iceo为20μA，在使用中管芯温度上升到50℃，Iceo就增大到160μA左右。

测量Iceo的电路很简单（图7），三极管的基极开路，在集电极与发射极之间接入电源VCC（6V），串联在电路中的电流表（可用万用表中的0.1mA挡）所指示的电流值就是Iceo。

七、严格地说，三极管的β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，β值会随着发生变化（图8）。

一般说来，在Ic很小（例如几十微安）或很大（即接近集电极最大允电流ICM）时，β值都比较小，在1mA以上相当宽的范围内，小功率管的β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Ic，以获得最佳放大状态。

另外，β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，β值相应变大。

一般温度每升高1℃，β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ICM表示。

ICM常称为三极管的额定电流，所以人们常常误认为超过了ICM值，由于过热会把管子烧坏。

实际上，规定ICM值是为避免集电极电流太大时引起β值下降过多。

一般把β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ICM。

       九、三极管的电流放大系数β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β值是不随频率变化的（图9），可是当频率升高到超过某一数值后，β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β值下降到低频（1000Hz）值β0的0.707倍时，所对应的频率称为β截止频率，用fβ表示。

fβ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β截止频率fβ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α（α＝Ic／Ie）值下降到低频（1000Hz）值αo的0.707倍时，所对应的频率称为α截止频率，用fα表示（图10）。

fα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fα的大小划分低频管和高频管。

国家规定，fα＜3MHz的为低频管，fα＞3MHz的为高频管。

当频率高于fβ值后，继续升高频率，β值将随之下降，直到β＝1，三极管就失去了放大能力。

为此，人们规定：

在高频条件下，β＝1时所对应的频率，称为特征频率，用fT表示。

fT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，应使管子的特征频率fT比实际工作频率高出3～5倍。

    fα与fβ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fβ值远比fα值要小，它们之间的关系为

fβ＝（1－α）fα

    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。

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（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1pnp（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”（forwardactive），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=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（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