簡(jiǎn)單學(xué)電路——詳解半導(dǎo)體三極管

1、簡(jiǎn)單學(xué)電路詳解半導(dǎo)體三極管本文是圍繞半導(dǎo)體三極管（以下簡(jiǎn)稱三極管）展開(kāi)的討論，由老師來(lái)回答同學(xué)提出的問(wèn)題。    同學(xué)：三極管是由兩個(gè) PN 結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體器件，如果我們用兩只二極管按一定的方式連接起來(lái)（見(jiàn)圖 1 ），能不能組成一個(gè)三極管呢？    老師：這個(gè)問(wèn)題很多初學(xué)者都會(huì)提出來(lái)。三極管絕不是兩個(gè) PN 結(jié)的簡(jiǎn)單湊合，兩個(gè)二極管的組合不能形成一個(gè)三極管。我們以 NPN 型三極管為例（見(jiàn)圖 2 ），兩個(gè) PN 結(jié)共用了一個(gè) P 區(qū) 基區(qū)，基區(qū)做得極薄，只有幾微米到幾十微米，正是靠著它把兩個(gè) PN 結(jié)有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)不可分割的整體，它

2、們之間存在著相互聯(lián)系和相互影響，使三極管完全不同于兩個(gè)單獨(dú)的 PN 結(jié)的特性。三極管在外加電壓的作用下，形成基極電流、集電極電流和發(fā)射極電流，成為電流放大器件。    同學(xué)：怎樣理解三極管的電流放大作用呢？    老師：三極管內(nèi)部進(jìn)行的物理過(guò)程是十分復(fù)雜的，初學(xué)者暫時(shí)不必去深入探討。從應(yīng)用的角度來(lái)講，可以把三極管看作是一個(gè)電流分配器。一個(gè)三極管制成后，它的三個(gè)電流之間的比例關(guān)系就大體上確定了（見(jiàn)圖 3 ），用式子來(lái)表示就是    和 稱為三極管的電流分配系數(shù)，其中 值大家比較熟悉，都管它叫電流放大系數(shù)。三

3、個(gè)電流中，有一個(gè)電流發(fā)生變化，另外兩個(gè)電流也會(huì)隨著按比例地變化。例如，基極電流的變化量 I b 10 A ， 50 ，根據(jù) I c I b 的關(guān)系式，集電極電流的變化量 I c 50×10 500A ，實(shí)現(xiàn)了電流放大。     同學(xué)：為什么在三極管內(nèi)部能夠把基極電流變成比它大 倍的集電極電流呢？    老師：這個(gè)問(wèn)題問(wèn)得好。三極管自身并不能把小電流變成大電流，它僅僅起著一種控制作用，控制著電路里的電源，按確定的比例向三極管提供 I b 、 I c 和 I e 這三個(gè)電流。為了容易理解，我們還是用水流比喻電流（見(jiàn)圖

4、4 ）。這是粗、細(xì)兩根水管，粗的管子內(nèi)裝有閘門(mén)，這個(gè)閘門(mén)是由細(xì)的管子中的水量控制著它的開(kāi)啟程度。如果細(xì)管子中沒(méi)有水流，粗管子中的閘門(mén)就會(huì)關(guān)閉。注入細(xì)管子中的水量越大，閘門(mén)就開(kāi)得越大，相應(yīng)地流過(guò)粗管子的水就越多，這就體現(xiàn)出“以小控制大，以弱控制強(qiáng)”的道理。由圖可見(jiàn)，細(xì)管子的水與粗管子的水在下端匯合在一根管子中。三極管的基極 b 、集電極 c 和發(fā)射極 e 就對(duì)應(yīng)著圖 4 中的細(xì)管、粗管和粗細(xì)交匯的管子。電路見(jiàn)圖 5 ，若給三極管外加一定的電壓，就會(huì)產(chǎn)生電流 I b 、 I c 和 I e 。調(diào)節(jié)電位器 RP 改變基極電流 I b ， I c 也隨之變化。由于 I c I b ，所以很小

5、的 I b 控制著比它大 倍的 I c 。 I c 不是由三極管產(chǎn)生的，是由電源 V CC 在 I b 的控制下提供的，所以說(shuō)三極管起著能量轉(zhuǎn)換作用。同學(xué)：為了得到比較高的放大倍數(shù)，選擇三極管時(shí)是不是 越大越好？    老師：?jiǎn)渭儚摹胺糯蟆钡慕嵌葋?lái)看，我們當(dāng)然希望 值越大越好?？墒?，三極管接成共發(fā)射極放大電路（圖 6 ）時(shí)，從管子的集電極 c 到發(fā)射極 e 總會(huì)產(chǎn)生一有害的漏電流，稱為穿透電流 I ceo ，它的大小與 值近似成正比， 值越大， I ceo 就越大。 I ceo 這種寄生電流不受 I b 控制，卻成為集電極電流 I c 的一部分， I c

6、 I b I ceo 。值得注意的是， I ceo 跟溫度有密切的關(guān)系，溫度升高， I ceo 急劇變大，破壞了放大電路工作的穩(wěn)定性。所以，選擇三極管時(shí)，并不是 越大越好，一般取硅管 為 40 150 ，鍺管取 40 80 。    同學(xué)：三極管的穿透電流一般有多大呢？怎么測(cè)量穿透電流？    老師：在常溫下，鍺管的穿透電流比較大，一般由幾十微安到幾百微安，硅管的穿透電流就比較小，一般只有零點(diǎn)幾微安到幾微安。 I ceo 雖然不大，卻與溫度有著密切的關(guān)系，它們遵循著所謂的“加倍規(guī)則”，這就是溫度每升高 10 ， I ceo 約增大一倍

7、。例如，某鍺管在常溫 20 時(shí)， I ceo 為 20A ，在使用中管芯溫度上升到 50 ， I ceo 就增大到 160A 左右。測(cè)量 I ceo 的電路很簡(jiǎn)單（圖 7 ），三極管的基極開(kāi)路，在集電極與發(fā)射極之間接入電源 V CC （ 6V ），串聯(lián)在電路中的電流表（可用萬(wàn)用表中的 0.1mA 擋）所指示的電流值就是 I ceo 。    同學(xué)：三極管的 是不是一個(gè)不變的常數(shù)呢？    老師：嚴(yán)格地說(shuō)，三極管的 值不是一個(gè)不變的常數(shù)。在實(shí)際使用中，調(diào)整三極管的集電極電流 I ， 值會(huì)隨著發(fā)生變化（圖 8 ）。一般說(shuō)來(lái)，在 I c 很

8、?。ɡ鐜资玻┗蚝艽螅唇咏姌O最大允電流 I CM ）時(shí)， 值都比較小，在 1mA 以上相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，小功率管的 值都比較大，所以，同學(xué)們?cè)谡{(diào)試放大電路時(shí)，要確定合適的工作電流 I c ，以獲得最佳放大狀態(tài)。另外， 值也和三極管的其它參數(shù)一樣，跟溫度有密切的關(guān)系。溫度升高， 值相應(yīng)變大。一般溫度每升高 1 ， 值增加 0.5 1 。    同學(xué)：為了保證三極管的 值不致下降太多，在使用中怎樣對(duì)它的集電極電流進(jìn)行限制呢？    老師：三極管有一個(gè)極限參數(shù)叫集電極最大允許電流，用 I CM 表示。 I CM 常稱為三極

9、管的額定電流，所以人們常常誤認(rèn)為超過(guò)了 I CM 值，由于過(guò)熱會(huì)把管子燒壞。實(shí)際上，規(guī)定 I CM 值是為避免集電極電流太大時(shí)引起 值下降過(guò)多。一般把 值降低到它的最大值一半左右時(shí)的集電極電流定為集電極最大允許電流 I CM 。    同學(xué)：三極管為什么分成高頻管和低頻管？    老師：正好可以向大家進(jìn)一步說(shuō)明，三極管的電流放大系數(shù) 值還與電路的工作頻率有關(guān)。在一定的頻率范圍內(nèi)，可以認(rèn)為 值是不隨頻率變化的（圖 9 ），可是當(dāng)頻率升高到超過(guò)某一數(shù)值后， 值就會(huì)明顯下降。為了保證三極管在高頻時(shí)仍然具有足夠的放大能力，人們規(guī)定：

10、當(dāng)頻率升高到使 值下降到低頻（ 1000Hz ）值 0 的 0.707 倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率稱為 截止頻率，用 f 表示。 f 就是三極管接成共發(fā)射極電路時(shí)所允許的最高工作頻率。    同學(xué)：怎樣劃分低頻管和高頻管呢？    老師：回答這個(gè)問(wèn)題，還需要多說(shuō)幾句。剛剛提到的三極管 截止頻率 f 是在三極管接成共發(fā)射極放大電路時(shí)測(cè)定的。如果三極管接成共基極電路，隨著頻率的升高，其電流放大系數(shù) （ I c I e ）值下降到低頻（ 1000Hz ）值 o 的 0.707 倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率稱為 截止頻率，用 f 表示（圖 10 ）。 f 反映

11、了三極管共基極運(yùn)用時(shí)的頻率限制。在三極管產(chǎn)品系列中，常根據(jù) f 的大小劃分低頻管和高頻管。國(guó)家規(guī)定， f 3MHz 的為低頻管， f 3MHz 的為高頻管。    同學(xué)：假如三極管的工作頻率高于 f 值，會(huì)不會(huì)失去電流放大能力呢？ f 與 f 的關(guān)系是什么？    老師：當(dāng)頻率高于 f 值后，繼續(xù)升高頻率， 值將隨之下降，直到 1 ，三極管就失去了放大能力。為此，人們規(guī)定：在高頻條件下， 1 時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，稱為特征頻率，用 f T 表示。 f T 常作為標(biāo)志三極管頻率特性好壞的重要參數(shù)。在選擇三極管時(shí)，應(yīng)使管子的特征頻率 f T 比實(shí)際工作頻率高出 3 5 倍。