初步认识三极管

双极型晶体管(BJT)又叫半导体三极管,晶体三极管,简称三极管,是非常重要的电子原件,有放大信号和电子开关的功能(CPU其实也就是几亿个"开关"组成)

常见外观

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内有乾坤---PN结

  • 三极:基极,发射极,集电极。分别用 b e c表示
  • 三区:基区,发射区 ,集电区。

其实三极管也是由PN结组成,背靠背的PN结,更具背靠背的顺序,可以分成 PNP型和NPN型

NPN型
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画的有点丑,QWQ.

发射区:由N型半导体组成,杂质含量最多(远大于集电区,这是为了方便发射区发射电子),引出发射极 e

集电区:由N型半导体组成,杂质含量比基区多(为了方便收集发射极的电子),引出集电极 c

基区:由P型半导体组成,杂质含量非常少,同时非常薄(为了方便发射极的电子穿过),引出基极 b

我先把有关结论放在这里

  • 如果没有 b到e的电流 Ibe ,也就没有的 c到e的电流Icb ,也就是 Ibe 决定 Icb

在晶体管在放大模式

  • VC >Vb >Ve , C区电势最高

  • 发射区发射电子,集电区收集电子

  • IE =IB+Ic ,发射极电流等于其他两极之和,IB<<Ic ,也就是基极电流非常小。

  • β=Ic/IB ,β为直流(交流)放大系数

  • 发射极工作在放大模式下要求 发射结正向偏置,集电结反向偏置

PNP型

其实和NPN型差不多,P型组成发射区和集电区,基极由N区组成,当然正因如此,性质就有所不同。

我先把有关结论放在这里

  • 如果没有 e到b的电流 Ieb ,也就没有的 E到C的电流IEC ,也就是 IEB 决定 IEC

在晶体管在放大模式

  • VE >Vb >VC , C区电势最高
  • 发射区发射电子,集电区收集电子
  • IE =IB+Ic ,发射极电流等于其他两极之和,IB<<Ic ,也就是基极电流非常小。
  • β=Ic/IB ,β为直流(交流)放大系数
  • 发射极工作在放大模式下要求 发射结正向偏置,集电结反向偏置

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认识符号

看上面的插图(画的太丑了),如何认识呢?

  1. 带箭头的是发射极
  2. 箭头指向就是电流流向,也是 发射区和基区P--->N

基本共射放大电路晶体管内部载流子运动情况

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上图,被称为共射放大电路,发射极作为公共端,本电路又两条回路,左边叫输入电路,右侧叫输出电路。

  1. Rb 基极电阻,也叫偏置电阻。
  2. RC 集电极电阻
  3. VCC 集电极电源,使集电姐处于反偏状态
  4. VBB,基极电源,使发射结处于正偏状态

发射区向基区发射电子的过程

如上图,发射区电势低,基区电势高,发射结处于正偏的情况,使发射结的多子(自由电子)不断向基区扩散,于此同时基区的空穴也会扩散到发射区,形成了基区到发射区的电流。发射极发射的电子被电源Vcc 不断补充

电子在基区的扩散和符合情况

两者的浓度的差距(发>>基),基区又很薄并且空穴少,所以只有少数电子被基区的空穴所符合,从而基区到发射区的电流很小(IB),并且发射极来的电子被复合的电子非常少,所以有大量电子扩散到了基极边缘

集电极的收集电子

反偏的集电结阻碍了集电区的多子(自由电子向基区扩散),但是扩散到基极边缘的电子在集电极的电场作用(正电荷)下穿越到了集电极(集电结被击穿了一样),在集电极电源的作用下形成了电流 IC

总结

由此电路图我们就又得到了一个公式

UCE =UCC -IcRC , 和 UBE =UCC -IBRB ,当然我们时常确立发射极接地电势为0.

在配合上面的公式 β=Ic/IB ,IE =IB+Ic 我们就可以解决大多数题目。

练习一下

判断下列,三极管是可能工作在放大状态

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解答

  1. 先判断PNP还是NPN型
  2. 再判断 是否可能 发射结正向偏置,集电结反向偏置

三极管的共射特性曲线

通过上面的分析,我们简单了解了一下三极管在放大区的基本工作原理,当然那仅仅就是一种情况---工作在发射区的情况。

输入特性曲线

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输入特性曲线描述了 ,在管降压UCE不变的前提下,基极电流IB 和发射结压降的关系。

IB =f(ube) | uCE=常数

由上图可见:

  1. 在输入特性曲线上也有开启电压,当UBE 不足打开发射结开启电压的时候,IB 为0;只有UBE 大于开启电压 之后,IB 随UBE 指数级上涨。 硅晶体管开启电压约为0.5V, 发射结导通电压约为 0.7V;锗晶体管开启电压约为0.2V, 发射结导通电压约为 0.3V
  2. 当UCE为0的时候, 也就是发射结和集电极并联,也就是两个二极管并联,那么输入特性曲线与PN结类似。
  3. 当UCE为1的时候**,集电极处于方向偏置,那么内电场加强,发射结扩散的电子多数别集电区收集**,只有少数和基区的空穴复合,那么IB,就会减小,故在同等UBE 下,UCE越大,那么IB就越小(不破坏晶体管情况下)。
  4. UCE 大于 Iv的时候,集电极几乎将发射过来的电子几乎完全收走,那么IB 几乎和 UCE为1 一致。

输出特性曲线

输入特性曲线,是指当IB一定之时,Ic和UCE的关系,IC =f(uCE) | IB=常数

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存在三种工作状态,为了方便理解,我们在上图左侧画一个红线,我们可以清晰的分析出,当UCE 一定的时候,IB 随着越大,三极管从截止区--放大区-->包饱和区。当然饱和区和截至区直接的边界,我们成为临界饱和区。论述的时候按照这个顺序就好理解了。

以下都假设在硅NPN晶体管,发射结导通电压为 0.7V,开启电压为0.5V,电路图如下:

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发射区接地,Ue为0.

截止区

截止区下的晶体管是 断开的,也就是不存在ICE 集电区到发射区的电流。

当 Vb 为0(或小于0)的时候,集电基 电势为 VCC,发射结Ue为0,NPN型晶体管,此时处于,发射结零偏(反偏),集电极反偏,都不能导通,所以此时晶体管犹如断开的开关。

当 Vb <0.7(不到发射结的开启电压),虽然集电结处于反偏,但是发射结无法导通,故无Ib 电流,但是当处于截止状态的时候,集电结到发射结存在微小的穿透电流

不受Ib 控制,受温度影响。

放大区

在放大区,晶体管才有放大电流的作用,即为 β=Ic/IBIc与IB存在线性关系 。此时集电基电势大于 基极,基极大于发射极,满足发射结正向偏置,集电结反向偏置,故为放大区。

同时 满足公式 UCE =UCC -IcRC ,可以分析可知,当IB 越大的时候,Ic 也随着放大,那么 UCE就会减小。则一定会导致一种结果,集电结电压UCE 小于基极电压(0.7V),从而,发射结也正偏,如此则进入了 饱和区

饱和区

饱和区,晶体管不在具有放大作用.当集电结下降到0.7V之后,集电极也就失去了收集电子的能力(处于正偏)。饱和区和放大区零界点就是临界饱和区,临界饱和区是最后一个满足 β=Ic/IB 的电路。当UCE < UCES(饱和管压降),则进入深度饱和区,集电结和发射结都处于正偏

总结

在饱和区和截止区,晶体管好像受基极控制的开关;处于放大区,晶体管其放大作用。

练习一下

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解答

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晶体管的主要参数

  1. $\overline{β}$ 共射交流放大系数

  2. β 共射直流放大系数

  3. 极间反向饱和电流 ,ICEO 和ICEO

    ICBO ,发射极开路,集电极加反向电压的时候,测得集电极电流

    ICEO,基极开路,集电极和发射结之间的穿透电流,穿透电流越小,说明管子的热稳定性越好

  4. 极限参数 :

    1. ICM,集电极最大电流
    2. PCM集电极最大功耗
    3. UBR(CEO)反向击穿电压

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Q.E.D.


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