三極管的工作原理,詳細(xì)、通俗易懂、圖文并茂

1、三極管的工作原理，詳細(xì)、通俗易懂、圖文并茂一、很多初學(xué)者都會(huì)認(rèn)為三極管是兩個(gè) PN 結(jié)的簡(jiǎn)單湊合（如圖1）。這種想法是錯(cuò)誤的，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。        二、三極管的電流放大作

2、用與其物理結(jié)構(gòu)有關(guān)，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。 

3、60;       三、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 ）。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

4、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。 四、如圖5，假設(shè)三極管的=100，RP=200K，此時(shí)的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic=I b=2mA當(dāng)RP=0時(shí)，Ib=6v/100k=0.06mA，Ic=I b=

5、2mA。以上兩種狀態(tài)都符合Ic=I b，我們說(shuō)，三極管處于"放大區(qū)"。假設(shè)RP=0,Rb=1k,此時(shí)，Ib=6v/1k=6mA按Ic=I b計(jì)算，Ic應(yīng)等于600mA，而實(shí)際上，由于圖中300歐姆限流電阻（Rc）的存在，實(shí)際上Ic=(6v/300)20mA,此時(shí)，IcI b，而且，Ic不再受Ib控制，即處于"飽和區(qū)"，當(dāng)RP和Rb大到一定程度，使Ube<死區(qū)電壓(硅管約0.5V，鍺管約0.3）此時(shí)be結(jié)處于不導(dǎo)通狀態(tài)，Ib=0，則Ic=0，處于"截止區(qū)"。       

6、  五、單純從“放大”的角度來(lái)看，我們希望 值越大越好。可是，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 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 。   

7、    六、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。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

8、 I ceo 。   七、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?。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 。      

9、60;   八、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 。          九、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

10、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：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。 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

11、頻管。國(guó)家規(guī)定， f 3MHz 的為低頻管， f 3MHz 的為高頻管。  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。     f 與 f 的物理意義是相同的，僅僅是放大電路連接方式不同。理論分析和實(shí)驗(yàn)都可以證明，同一只三極管的 f 值遠(yuǎn)比 f 值要小，它們之間的關(guān)系為f （ 1 ） f &#

12、160;    這就說(shuō)明了共發(fā)射極電路的極限工作頻率比共基極電路低得多。所以，高頻放大和振蕩電路大多采用共基極連接。對(duì)三極管 放大作用的理解，切記一點(diǎn)：能量不會(huì)無(wú)緣無(wú)故的產(chǎn)生，所以，三極管一定 不會(huì)產(chǎn) 生能量 。但三 極管厲 害的地 方在于 ：它可 以通過(guò) 小電流 去控制 大電流 。放大 的原理 就在于 ：通過(guò) 小的交 流輸入 ，控制 大的靜 態(tài)直流 。假設(shè) 三極管 是個(gè)大 壩，這 個(gè)大壩 奇怪的 地方是 ，有兩 個(gè)閥門(mén) ，一個(gè) 大閥門(mén) ，一個(gè)小閥 門(mén)。小 閥門(mén)可 以用人 力打開(kāi) ，大閥 門(mén)很重 ，人力 是打不 開(kāi)的， 只能通 過(guò)小閥門(mén)的 水力打 開(kāi)。所以 ，平常

13、 的工作 流程便 是，每 當(dāng)放水 的時(shí)候 ，人們 就打開(kāi) 小閥門(mén) ，很小 的水流涓涓 流出， 這涓涓 細(xì)流沖 擊大閥 門(mén)的開(kāi) 關(guān)，大 閥門(mén)隨 之打開(kāi) ，洶涌 的江水 滔滔流下。如果 不停地 改變小 閥門(mén)開(kāi) 啟的大 小，那 么大閥 門(mén)也相 應(yīng)地不 停改變 ，假若 能?chē)?yán)格地按 比例改 變，那 么，完 美的控 制就完 成了。在這里，Ub e 就是小水 流，Uce 就是大水流，人就是 輸入信號(hào)。當(dāng)然 ，如 果把水流比 為電流 的話， 會(huì)更確 切，因 為三極 管畢竟 是一個(gè) 電流控 制元件 。如果 某一天 ，天氣 很旱， 江水沒(méi) 有了， 也就是 大的水 流那邊 是空的 。管理 員這時(shí)候打 開(kāi)了小 閥門(mén)，

14、 盡管小 閥門(mén)還 是一如 既往地 沖擊大 閥門(mén)， 并使之 開(kāi)啟， 但因?yàn)闆](méi)有 水流的 存在， 所以， 并沒(méi)有 水流出 來(lái)。這 就是三 極管中 的截止 區(qū)。飽和 區(qū)是一 樣的， 因?yàn)榇?時(shí)江水 達(dá)到了 很大很 大的程 度，管 理員開(kāi) 的閥門(mén) 大小已經(jīng)沒(méi) 用了。 如果不 開(kāi)閥門(mén) 江水就 自己沖 開(kāi)了， 這就是 二極管 的擊穿 。在模 擬電路 中，一般閥門(mén)是半開(kāi)的，通過(guò)控制其開(kāi)啟大小來(lái)決定輸出水流的大小。沒(méi)有 信號(hào)的 時(shí)候， 水流也 會(huì)流， 所以， 不工作 的時(shí)候 ，也會(huì) 有功耗 。而在 數(shù)字電路中，閥門(mén)則處于開(kāi)或是關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)不工作的時(shí)候，閥門(mén)是完全關(guān)閉 的，沒(méi) 有功耗 。結(jié)構(gòu) 與操作 原理三極

15、 管的 基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反向連結(jié)的 pn 接面 ，如 圖1所示，可有 pnp 和 npn 兩種組合 。三個(gè) 接出來(lái) 的端點(diǎn) 依序稱 為射極 （emitter, E）、基 極（base, B）和 集極（co llector, C），名稱來(lái)源和它們?cè)谌龢O管操作時(shí)的功能有關(guān)。圖中也顯示出 npn與 pn p 三極 管的電 路符號(hào) ，射極 特別被 標(biāo)出， 箭號(hào)所 指的極 為 n 型半導(dǎo)體，和二極體 的符號(hào) 一致。在沒(méi)接外加偏壓時(shí)，兩個(gè) pn 接面都會(huì)形成耗盡區(qū)，將中性的 p型區(qū) 和 n 型區(qū)隔開(kāi)。圖1 pnp(a)與 npn( b)三極管的結(jié)構(gòu)示意圖與電路符號(hào)。三 極管 的電特 性和兩 個(gè) pn 接面的

16、偏壓有關(guān)，工作區(qū)間也依偏壓方式來(lái)分類，這里我們 先討論最 常用的 所謂”正向 活性 區(qū)”(forward active) ，在此 區(qū) EB 極間的 pn接面 維持在 正向偏 壓，而 BC 極間的 pn 接面 則在反 向偏壓，通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。圖2(a)為一 pnp 三極管 在此 偏壓區(qū)的示意圖。 EB 接面的空乏 區(qū)由于 在正向 偏壓會(huì) 變窄，載體 看到的 位障變 小，射極的電洞會(huì)注入到基極，基極 的電子 也會(huì)注 入到射 極；而 BC 接面的耗盡區(qū)則會(huì)變寬，載體看到 的位障變大，故本身是 不導(dǎo)通的。圖 2(b) 畫(huà)的是 沒(méi)外 加偏壓， 和偏 壓在正向 活性區(qū)兩種 情形下 ，

17、電洞 和電子 的電位 能的分 布圖。三極 管和兩 個(gè)反向 相接 的 pn 二極管有什么差別呢？其間最大的不同部分就在于三極 管的兩 個(gè)接面 相當(dāng)接 近。以 上述之 偏壓在 正向活 性區(qū)之 pnp 三極管為例，射極的 電洞注 入基極 的 n 型 中性區(qū)，馬上 被多數(shù) 載體電 子包圍 遮蔽，然后朝集電極方向擴(kuò)散，同時(shí)也被 電子復(fù)合。當(dāng)沒(méi) 有被 復(fù)合的電洞到達(dá) BC 接面的 耗盡區(qū)時(shí)，會(huì)被 此區(qū)內(nèi) 的電場(chǎng) 加速掃 入集 電極 ，電洞在集電極中為多數(shù)載體，很快藉由漂移電流到達(dá)連結(jié)外部的 歐姆接點(diǎn)，形成 集電 極電流 IC。 IC 的大小 和 BC 間反向偏壓的 大小關(guān) 系不大 ?；鶚O外部?jī)H需提供與注入

18、電洞復(fù)合部分的電子流 IBrec，與由基極 注入射 極的電 子流 InB ? E（這 部分是 三極管 作用不 需要的 部分 ）。 InB? E 在射極 與與電 洞復(fù)合 ，即 InB? E=IErec。pnp 三極管在正向活性區(qū)時(shí)主要的電流種類可以 清楚地 在圖3 (a)中看出。圖2 (a)一 pnp 三極管偏壓在正向活性區(qū)；(b)沒(méi)外 加偏壓 ，和偏 壓在正 向活性 區(qū)兩種情 形下， 電洞和 電子的 電位能 的分布 圖比較 。圖3 (a) pnp 三極管在正向活性區(qū)時(shí)主要的電流種類； (b)電洞電位能分布及注入的情形 ；(c) 電子的電位能分布及注入的情形。一般 三極管 設(shè)計(jì)時(shí) ，射極的摻雜濃度較基極的高許多，如此由射極注入基極 的射極主 要載體 電洞（也就是基極的少數(shù)載體）IpE? B 電流會(huì)比由基極注入射極 的載體電 子電流 InB? E 大