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三極管的工作原理

三極管是電流放大器件，有三個(gè)極，分別叫做集電極C，基極B，發(fā)射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。

三極管的電流放大作用與其物理結(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

一、電流放大

下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個(gè)電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個(gè)箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設(shè)電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基極電流變 化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以我們把β叫做三極管的放大倍數(shù)（β一般遠(yuǎn)大于1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個(gè)變化的小信號加到基極跟發(fā)射 極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導(dǎo)致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個(gè)電阻R的，那么根據(jù)電壓計(jì)算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個(gè)電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。

二、偏置電路

三極管在實(shí)際的放大電路中使用時(shí)，還需要加合適的偏置電路。這有幾個(gè)原因。首先是由于三極管BE結(jié)的非線性（相當(dāng)于一個(gè)二極管），基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產(chǎn)生（對于硅管，常取0.7V）。當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時(shí)，基極電流就可以認(rèn)為是0。但實(shí)際中要放大的信號往往遠(yuǎn)比 0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因?yàn)樾∮?/span>0.7V時(shí)，基極電流都是0）。如果我們事先在三極管的基極上加上一 個(gè)合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個(gè)電阻Rb就是用來提供這個(gè)電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當(dāng)一個(gè)小信號跟這個(gè)偏置電流疊加在一起時(shí)，小 信號就會導(dǎo)致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個(gè)原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的 信號放大，而對減小的信號無效（因?yàn)闆]有偏置時(shí)集電極電流為0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當(dāng)輸入的基極電流變小時(shí)，集電極 電流就可以減��；當(dāng)輸入的基極電流增大時(shí)，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。

三、開關(guān)作用

下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因?yàn)槭艿诫娮?/span> Rc的限制（Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大，不能使集電極電流繼續(xù)增大 時(shí)，三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是：Ib*β〉Ic。進(jìn)入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為 一個(gè)開關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當(dāng)作開關(guān)使用：當(dāng)基極電流為0時(shí)，三極管集電極電流為0（這叫做三極管截止），相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng)基極電流很 大，以至于三極管飽和時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關(guān)管。

四、工作狀態(tài)

如果我們在上面這個(gè)圖中，將電阻Rc換成一個(gè)燈泡，那么當(dāng)基極電流為0時(shí)，集電極電流為0，燈泡滅。如果基極電流比較大時(shí)（大于流過燈泡的電流除以三極管 的放大倍數(shù) β），三極管就飽和，相當(dāng)于開關(guān)閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點(diǎn)就行了，所以就可以用一個(gè)小電流來控制一個(gè)大電流的通 斷。如果基極電流從0慢慢增加，那么燈泡的亮度也會隨著增加（在三極管未飽和之前）。

三極管的作用

晶體三極管，是最常用的基本元器件之一，晶體三極管的作用主要是電流放大，他是電子電路的核心元件，現(xiàn)在的大規(guī)模集成電路的基本組成部分也就是晶體三極管。

三極管基本機(jī)構(gòu)是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把正塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種， 從三個(gè)區(qū)引出相應(yīng)的電極，分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電極。基區(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大，PNP型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里；NPN型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。

三極管是一種控制元件，三極管的作用非常的大，可以說沒有三極管的發(fā)明就沒有現(xiàn)代信息社會的如此多樣化，電子管是他的前身，但是電子管體積大耗電量巨大，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰。三極管主要用來控制電流的大小，以共發(fā)射極接法為例（信號從基極輸入，從集電極輸出，發(fā)射極接地），當(dāng)基極電壓UB有一個(gè)微小的變化時(shí)，基極電流IB也會隨之有一小的變化，受基極電流IB的控制，集電極電流IC會有一個(gè)很大的變化，基極電流IB越大，集電極電流IC也越大，反之，基極電流越小，集電極電流也越小，即基極電流控制集電極電流的變化。但是集電極電流的變化比基極電流的變化大得多，這就是三極管的電流放大作用。

剛才說了電流放大是晶體三極管的作用，其實(shí)質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號“β”表示。電流放大倍數(shù)對于某一只三極管來說是一個(gè)定值，但隨著三極管工作時(shí)基極電流的變化也會有一定的改變。根據(jù)三極管的作用我們分析它可以把微弱的電信號變成一定強(qiáng)度的信號，當(dāng)然這種轉(zhuǎn)換仍然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成信號的能量罷了。三極管有一個(gè)重要參數(shù)就是電流放大系數(shù)β。當(dāng)三極管的基極上加一個(gè)微小的電流時(shí)，在集電極上可以得到一個(gè)是注入電流β倍的電流，即集電極電流。集電極電流隨基極電流的變化而變化，并且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化，這就是三極管的放大作用。三極管的作用還有電子開關(guān)，配合其它元件還可以構(gòu)成振蕩器，此外三極管還有穩(wěn)壓的作用。

三極管參數(shù)

1、共射電流放大系數(shù)

  在共射極放大電路中，若交流輸入信號為零，則管子各極間的電壓和電流都是直流量，此時(shí)的集電極電流IC和基極電流IB的比就是  ，  稱為共射直流電流放大系數(shù)。

  當(dāng)共射極放大電路有交流信號輸入時(shí)，因交流信號的作用，必然會引起IB的變化，相應(yīng)的也會引起IC的變化，兩電流變化量的比稱為共射交流電流放大系數(shù)β

  上述兩個(gè)電流放大系數(shù) 和β的含義雖然不同，但工作在輸出特性曲線放大區(qū)平坦部分的三極管，兩者的差異極小，可做近似相等處理，故在今后應(yīng)用時(shí)，通常不加區(qū)分，直接互相替代使用。

  由于制造工藝的分散性，同一型號三極管的β值差異較大。常用的小功率三極管，β值一般為20～100。β過小，管子的電流放大作用小，β過大，管子工作的穩(wěn)定性差，一般選用β在40～80之間的管子較為合適。

  2、極間反向飽和電流ICBO和ICEO

  （1）集電結(jié)反向飽和電流ICBO是指發(fā)射極開路，集電結(jié)加反向電壓時(shí)測得的集電極電流。常溫下，硅管的ICBO在nA（10-9）的量級，通�？珊雎�。

  （2）集電極-發(fā)射極反向電流ICEO是指基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的反向電流，即穿透電流，穿透電流的大小受溫度的影響較大，穿透電流小的管子熱穩(wěn)定性好。

  3、極限參數(shù)

  （1）集電極最大允許電流

  晶體管的集電極電流IC在相當(dāng)大的范圍內(nèi)β值基本保持不變，但當(dāng)IC的數(shù)值大到一定程度時(shí)，電流放大系數(shù)β值將下降。使β明顯減少的IC即為ICM。為了使三極管在放大電路中能正常工作，IC不應(yīng)超過ICM。

  （2）集電極最大允許功耗

  晶體管工作時(shí)、集電極電流在集電結(jié)上將產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生熱量所消耗的功率就是集電極的功耗，

  功耗與三極管的結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫又與環(huán)境溫度、管子是否有散熱器等條件相關(guān)。根據(jù)5-7式可在輸出特性曲線上作出三極管的允許功耗線，如圖5-8所示。功耗線的左下方為安全工作區(qū)，右上方為過損耗區(qū)。

  （3）反向擊穿電壓

  反向擊穿電壓是指基極開路時(shí)，加在集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓。使用中如果管子兩端的電壓，集電極電流IC將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿。管子擊穿將造成三極管永久性的損壞。三極管電路在電源EC的值選得過大時(shí)，有可能會出現(xiàn)，當(dāng)管子截止時(shí)，導(dǎo)致三極管擊穿而損壞的現(xiàn)象。一般情況下，三極管電路的電源電壓應(yīng)小于反向電壓

  4、溫度對三極管參數(shù)的影響

  幾乎所有的三極管參數(shù)都與溫度有關(guān)，因此不容忽視。溫度對下列的三個(gè)參數(shù)影響最大。