三极管的工作原理.docx

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三极管的工作原理

项目一　　　三极管的工作原理

三极管,全称应为半导体三极管,也称晶体管、晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号,也用作无触点开关.晶体三极管,是半导体基本元器·件之一,具有电流放大作用,是电子电路的核心元件.三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,排列方式有PNP和NPN两种.三极管是电流放大器件,有三个极,分别叫做集电极C,基极B,发射极E.分成NPN和PNP两种.我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理.下图是各种常用三极管的实物图和符号.

一、三极管的电流放大作用

下面的分析仅对于NPN型硅三极管.如上图所示,我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic.这两个电流的方向都是流出发射极的,所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向.三极管的放大作用就是：

集电极电流受基极电流的控制〔假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话〕,并且基极电流很小的变化,会引起集电极电流很大的变化,且变化满足一定的比例关系：

集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍,即电流变化被放大了β倍,所以我们把β叫做三极管的放大倍数〔β一般远大于1,例如几十,几百〕.如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间,这就会引起基极电流Ib的变化,Ib的变化被放大后,导致了Ic很大的变化.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了.

二、三极管的偏置电路

三极管在实际的放大电路中使用时,还需要加合适的偏置电路.这有几个原因.首先是由于三极管BE结的非线性〔相当于一个二极管〕,基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生〔对于硅管,常取0.7V〕.当基极与发射极之间的电压小于0.7V时,基极电流就可以认为是0.但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小,如果不加偏置的话,这么小的信号就不足以引起基极电流的改变〔因为小于0.7V时,基极电流都是0〕.如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流〔叫做偏置电流,上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的,所以它被叫做基极偏置电阻〕,那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时,小信号就会导致基极电流的变化,而基极电流的变化,就会被放大并在集电极上输出.另一个原因就是输出信号范围的要求,如果没有加偏置,那么只有对那些增加的信号放大,而对减小的信号无效〔因为没有偏置时集电极电流为0,不能再减小了〕.而加上偏置,事先让集电极有一定的电流,当输入的基极电流变小时,集电极电流就可以减小；当输入的基极电流增大时,集电极电流就增大.这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了.

三、开关作用

下面说说三极管的饱和情况.像上面那样的图,因为受到电阻Rc的限制〔Rc是固定值,那么最大电流为U/Rc,其中U为电源电压〕,集电极电流是不能无限增加下去的.当基极电流的增大,不能使集电极电流继续增大时,三极管就进入了饱和状态.一般判断三极管是否饱和的准则是：

Ib*β〉Ic.进入饱和状态之后,三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小,可以理解为一个开关闭合了.这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：

当基极电流为0时,三极管集电极电流为0〔这叫做三极管截止〕,相当于开关断开；当基极电流很大,以至于三极管饱和时,相当于开关闭合.如果三极管主要工作在截止和饱和状态,那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管.

项目二　　三极管的特性曲线

一、输入特性曲线

在三极管共射极连接的情况下,当集电极与发射极之间的电压Ube维持不同的定值时,Ube和Ib之间的一簇关系曲线,称为共射极输入特性曲线,如上图所示.由图可以看出这簇曲线,有下面几个特点：

〔1〕UBE=0的一条曲线与二极管的正向特性相似.这是因为UCE=0时,集电极与发射极短路,相当于两个二极管并联,这样IB与UCE的关系就成了两个并联二极管的伏安特性.

〔2〕UCE由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移,而且当UCE的数值增至较大时〔如UCE＞1V〕,各曲线几乎重合.这是因为UCE由零逐渐增大时,使集电结宽度逐渐增大,基区宽度相应地减小,使存贮于基区的注入载流子的数量减小,复合减小,因而IB减小.如保持IB为定值,就必须加大UBE,故使曲线右移.当UCE较大时〔如UCE＞1V〕,集电结所加反向电压,已足能把注入基区的非平衡载流子绝大部分都拉向集电极去,以致UCE再增加,IB也不再明显地减小,这样,就形成了各曲线几乎重合的现象.〔3〕和二极管一样,三极管也有一个门限电压Vγ,通常硅管约为0.5～0.6V,锗管约为0.1～0.2V.

二、输出特性曲线

输出特性曲线如上图所示.测试电路如上图.由图还可以看出,输出特性曲线可分为三个区域：

〔1〕截止区：

指IB=0的那条特性曲线以下的区域.在此区域里,三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态,三极管失去了放大作用,集电极只有微小的穿透电流IcEO.

〔2〕饱和区：

指绿色区域.在此区域内,对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起.也就是说,UCE较小时,Ic虽然增加,但Ic增加不大,即IB失去了对Ic的控制能力.这种情况,称为三极管的饱和.饱和时,三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态.三极管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降,用UCES表示.UCES很小,通常中小功率硅管UCES＜0.5V；三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降,以UCES表示,硅管的UCES在0．8V左右.OA线称为临界饱和线〔绿色区域右边缘线〕,在此曲线上的每一点应有|UCE|=|UBE|.它是各特性曲线急剧拐弯点的连线.在临界饱和状态下的三极管,其集电极电流称为临界集电极电流,以Ics表示；其基极电流称为临界基极电流,以IBS表示.这时Ics与IBS的关系仍然成立.〔3〕放大区：

在截止区以上,介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区.在此区域内,特性曲线近似于一簇平行等距的水平线,Ic的变化量与IB的变量基本保持线性关系,即ΔIc=βΔIB,且ΔIc>>ΔIB,就是说在此区域内,三极管具有电流放大作用.此外集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱,当UCE＞1V后,即使再增加UCE,Ic几乎不再增加,此时,若IB不变,则三极管可以看成是一个恒流源.在放大区,三极管的发射结处于正向偏置,集电结处于反向偏置状态.

项目三　　　三极管的测量与好坏判断

一、中、小功率三极管的检测

已知型号和管脚排列的三极管,可按下述方法来判断其性能好坏

测量极间电阻.将万用表置于R×100或R×1k挡,按照红、黑表笔的六种不同接法进行测试.其中,发射结和集电结的正向电阻值比较低,其他四种接法测得的电阻值都很高,约为几百千欧至无穷大.但不管是低阻还是高阻,硅材料三极管的极间电阻要比锗材料三极管的极间电阻大得多.

三极管的穿透电流的数值近似等于管子的倍数β和集电结的反向电流ICBO的乘积.ICBO随着环境温度的升高而增长很快,ICBO的增加必然造成ICEO的增大.而ICEO的增大将直接影响管子工作的稳定性,所以在使用中应尽量选用ICEO小的管子.通过用万用表电阻直接测量三极管e－c极之间的电阻方法,可间接估计ICEO的大小,具体方法如下：

万用表电阻的量程一般选用R×100或R×1k挡,对于PNP管,黑表管接e极,红表笔接c极,对于NPN型三极管,黑表笔接c极,红表笔接e极.要求测得的电阻越大越好.e－c间的阻值越大,说明管子的ICEO越小；反之,所测阻值越小,说明被测管的ICEO越大.一般说来,中、小功率硅管、锗材料低频管,其阻值应分别在几百千欧、几十千欧与十几千欧以上,如果阻值很小或测试时万用表指针来回晃动,则表明ICEO很大,管子的性能不稳定.

测量放大能力<β>.目前有些型号的万用表具有测量三极管hFE的刻度线与其测试插座,可以很方便地测量三极管的放大倍数.先将万用表功能开关拨至挡,量程开关拨到ADJ位置,把红、黑表笔短接,调整调零旋钮,使万用表指针指示为零,然后将量程开关拨到hFE位置,并使两短接的表笔分开,把被测三极管插入测试插座,即可从hFE刻度线上读出管子的放大倍数.另外：

有此型号的中、小功率三极管,生产厂家直接在其管壳顶部标示出不同色点来表明管子的放大倍数β值,其颜色和β值的对应关系如表所示,但要注意,各厂家所用色标并不一定完全相同.

二、检测判别电极

判定基极.用万用表R×100或R×1k挡测量三极管三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值.当用第一根表笔接某一电极,而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时,则第一根表笔所接的那个电极即为基极b.这时,要注意万用表表笔的极性,如果红表笔接的是基极b.黑表笔分别接在其他两极时,测得的阻值都较小,则可判定被测三极管为PNP型管；如果黑表笔接的是基极b,红表笔分别接触其他两极时,测得的阻值较小,则被测三极管为NPN型管.

判定集电极和发射极.<以PNP为例>将万用表置于R×100或R×1k挡,红表笔基极b,用黑表笔分别接触另外两个管脚时,所测得的两个电阻值会是一个大一些,一个小一些.在阻值小的一次测量中,黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中,黑表笔所接管脚为发射极.

判别高频管与低频管高频管的截止频率大于3MHz,而低频管的截止频率则小于3MHz,一般情况下,二者是不能互换的.