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三极管特性动图讲解

时间:2023-04-18
随着科学技的发展,电子技术的应用几乎渗透到了人们生产生活的方方面面。晶体三极管作为电子技术中一个最为基本的常用器件,其原理对于学习电子技术的人自然应该是一个重点。三极管原理的关键是要说明以下三点:

1、集电结为何会发生反偏皮段导通并产生Ic,这看起来与二极管原理强调的PN结单向导电性相矛盾。

2、放大状态下集电极电流Ic为什么会只受控于电流Ib而与电压无关;即:Ic与Ib之间为什么存在着一个固定的放大倍数关系。虽然基区较薄,但只要Ib为零,则Ic即为零。

3、饱和状态下,Vc电位很弱的情况下,仍然会有反向大电流Ic的产生。

很多教科书对于这部分内容,在讲解方法上处理得并不适当。特别是针对初、中级学者的普及性教科书,大多采用了回避的方法,只给出结论却不讲原因。即使专业性很强的教科书,采用的讲解方法大多也存在有很值得商榷的问题。这些问题集中表现在讲解方法的切入角度不恰当,使讲解内容前后矛盾,甚至造成讲还不如不讲的效果,使初学者看后容易产生一头雾水的感觉。笔者根据多年的总结思考与教学实践,对于这部分内容摸索出了一个适合于自己教学的新讲解方法,并通过具体的教学实践收到了一定效果。虽然新的讲解方法肯定会有所欠缺,但本人还是怀着与同行共同探讨的愿望不揣冒昧把它写出来,以期能通过同行朋友的批评指正来加以完善。

一、 传统讲法及问题:

传统讲法一般分三步,以NPN型为例(以下所有讨论皆以NPN型硅管为例),如示意图A。1.发射区向基区注入电子;2.电子在基区的扩散与复合;3.集电区收集由基区扩散过来的电子。”(注1)

问题1:这种讲解方法在第3步中,讲解集电极电流Ic的形成原因时,不是着重地从载流子的性质方面说明集电结的反偏导通,从而产生了Ic,而是不恰当地侧重强调了Vc的高电位作用,同时又强调基区的薄。这种强调很容易使人产生误解燃段誉。以为只要Vc足够大基区足够薄,集电结就可以反向导通,PN结的单向导电性就会失效。其实这正好与三极管的电流放大原理相矛盾。三极管的电流放大原理恰恰要求在放大状态下Ic与Vc在数量上必须无关,Ic只能受控于Ib。

问题2:不能很好地说明三极管的饱和状态。当三极管工作在饱和区时,Vc的值很小甚至还会低于Vb,此时仍然出现了很大的反向饱和电流Ic,也就是说在Vc很小时,集电结仍然会出现反向导通的现象。这很明显地与强调Vc的高电位作用相矛盾。

问题3:传统讲法第2步过于强调基区的薄,还容易给人造成这样的误解,以为是基区的足够薄在支承三极管集电结的反向导通,只要基区足够薄,集电结就可能会失去PN结的单向导电特性。这显然与人们利用三极管内部两个PN结的单向导电性,来判断管脚名称的经验相矛盾。既使基区很薄,人们判断管脚名称时,也并没有发现因为基区的薄而导致PN结单向导电性失效的情况。基区很薄,但两个PN结的单向导电特性仍然完好无损,这才使得人们有了判断三极管管脚名称的办法和根据。

问题4:在第2步讲解为什么Ic会受Ib控制,并且Ic与Ib之间为什么会存在着一个固定的比例关系时,不能形象加以说明。只是从工艺上强调基区的薄与掺杂度低,不能从根本上说明电流放大倍数为什么会保持不变。

问题5:割裂二极管与三极管在原理上的自然联系,不能实现内容上的自然过渡。甚至使人产生矛盾观念,二极管原理强调PN结单向导电反向截止,而三极管原理则又要求PN结能够反向导通。同时,也不能体现晶体三极管与电子三极管之间在电流放大原理上的历燃兆史联系。

二、新讲解方法:

1、切入点:

要想很自然地说明问题,就要选择恰当地切入点。讲三极管的原理我们从二极管的原理入手讲起。二极管的结构与原理都很简单,内部一个PN结具有单向导电性,如示意图B。很明显图示二极管处于反偏状态,PN结截止。我们要特别注意这里的截止状态,实际上PN结截止时,总是会有很小的漏电流存在,也就是说PN结总是存在着反向关不断的现象,PN结的单向导电性并不是百分之百。

为什么会出现这种现象呢?这主要是因为P区除了因“掺杂”而产生的多数载流子“空穴”之外,还总是会有极少数的本征载流子“电子”出现。N区也是一样,除了多数载流子电子之外,也会有极少数的载流子空穴存在。PN结反偏时,能够正向导电的多数载流子被拉向电源,使PN结变厚,多数载流子不能再通过PN结承担起载流导电的功能。所以,此时漏电流的形成主要靠的是少数载流子,是少数载流子在起导电作用。反偏时,少数载流子在电源的作用下能够很容易地反向穿过PN结形成漏电流。漏电流只所以很小,是因为少数载流子的数量太少。很明显,此时漏电流的大小主要取决于少数载流子的数量。如果要想人为地增加漏电流,只要想办法增加反偏时少数载流子的数量即可。所以,如图B,如果能够在P区或N区人为地增加少数载流子的数量,很自然的漏电流就会人为地增加。其实,光敏二极管的原理就是如此。光敏二极管与普通光敏二极管一样,它的PN结具有单向导电性。因此,光敏二极管工作时应加上反向电压,如图所示。当无光照时,电路中也有很小的反向饱和漏电流,一般为1×10-8 —1×10 -9A(称为暗电流),此时相当于光敏二极管截止;当有光照射时,PN结附近受光子的轰击,半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子—空穴对,这些载流子的数目,对于多数载流子影响不大,但对P区和N区的少数载流子来说,则会使少数载流子的浓度大大提高,在反向电压作用下,反向饱和漏电流大大增加,形成光电流,该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时,在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成电功能转换的。
四极管和三极管的作用

三极管特性曲线

三极管的特性曲线图分为四个区:饱和区、放大区、截止区、击穿区,一般讨论比较多的是前三个区。

三极管的的工作点进入饱和区,三极管就进入饱和状态。三乎清极管进入饱和状态还分深度饱和之说。可以这样理解:三极管进入饱和区失去线性放大作用时可以认为三极管岁老前处于饱和状态(Q1);三极管完全推动放大作含卖用时三极管处于深度饱和状态(Q3)。


三极管输出特性曲线:

该曲线表示基极电流Ib一定时,三极管输出电压Uec与输出电流Ic之间的关系曲线,如下右图所示。图中的每条曲线表示,当固定一个Ib值时,调节Rc所测得的不同Uec下的Ic值。根据输出特性曲线,三极管的工作状态分为三个区域。

三极管输入特性曲线:

该曲线表示当e极与c极之间的电压Uec保持不变时,输入电流(即基极电流Ib)和输入电压(即基极与发射极间电压Ueb)之间的关系曲线。


入门分享 三极管知识大全

请讲述一下三极管的曲线特性?

极管的电流放大原理 晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种:储管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式,但使用最多的硅NPN和PNP两种三极管,两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的,下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。

图1、晶体三极管(NPN)的结构
图一是NPN管的结构图,它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成,从图可见发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极。
当b点电位高于e点电位零点几伏时,发射结处于正偏状态,而C点电位高于b点电位几伏时,集电结处于反偏状态,集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
在制造三极管时,有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的,同时基区做得很薄,而且,要严格控制杂质含量,样,一旦接通电源后,由于发射结正确,发射区的多数载流子(电子)极基区的多数载流子(控穴)很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散,但因前者的浓度基大于后者,所以通过发射结的电流基本上是电子流,这股电子流称为发射极电流Ie。
由于基区很薄,加上集电结的反偏,注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic,只剩下很少(1-10%)的电子在基区的空穴进行复合,被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给,从而形闪嘶��缌鱅bo根据电流连续性原理得:
Ie=Ib+Ic
这就是说,在基极补充一个很小的Ib,就可以在集电极上得到一个较大的Ic,这就是所谓电流放大作用,Ic与Ib是维持一定的比例关系,即:
β1=Ic/Ib
式中:β--称为直流放大倍数,
集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为:
β= △Ic/△Ib
式中β--称为交流电流放大倍数,由于低频时β1和β的数值相差不大,所以有时为了方便起见,对两者不作严格区分,β值约为几十至一百多。
三极管是一种电流放大器件,但在实际皮橡使用中常常利用三极管的电流放大作用,通过电阻转变为电压放大作用。
二、三极管的特性曲线
1、输入特性
图2 (b)是三极管的输入特性曲线,它表示Ib随Ube的变化关系,其特点是:1)当Uce在0-2伏范围内,曲线位置和形状与Uce 有关,但当Uce高于2伏后,曲线Uce基本无关通常输入特性由两条曲线(Ⅰ和Ⅱ)表示即可。
2)当Ube<UbeR时,Ib≈O称(0~UbeR)的区段为“死区”当Ube>UbeR时,Ib随Ube增加而增加,放大时,三极管工作在较直线的区段。
3)三极管输入电阻,定义为:
rbe=(△Ube/△Ib)Q点,其估算公式为:
rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏)
rb为三极管的基区电阻,对低频小功率管,rb约为300欧。
2、输出特性
输出特性表示Ic随Uce的变化关系(以Ib为数)从图2(C)所示的输出特性可见,它分为三个区域:截止区、放大区和饱和区。
截止区 当Ube<0时,则Ib≈扮启0,发射区没有电子注入基区,但由于分子的热运动,集电集仍有小量电流通过,即Ic=Iceo称为穿透电流,常温时Iceo约为几微安,锗管约为几十微安至几百微安,它与集电极反向电流Icbo的关系是:
Icbo=(1+β)Icbo
常温时硅管的Icbo小于1微安,锗管的Icbo约为10微安,对于锗管,温度每升高12℃,Icbo数值增加一倍,而对于硅管温度每升高8℃,Icbo数值增大一倍,虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈,但由于锗管的Icbo值本身比硅管大,所以锗管仍然受温度影响较严重的管,放大区,当晶体三极管发射结处于燃缺旁正偏而集电结于反偏工作时,Ic随Ib近似作线性变化,放大区是三极管工作在放大状态的区域。
饱和区 当发射结和集电结均处于正偏状态时,Ic基本上不随Ib而变化,失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况,可能判别其工作状态。

图2、三极管的输入特性与输出特性
截止区和饱和区是三极管工作在开关状态的区域,三极管和导通时,工作点落在饱和区,三极管截止时,工作点落在截止区。
三、三极管的主要参数
1、直流参数
(1)集电极一基极反向饱和电流Icbo,发射极开路(Ie=0)时,基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb时的集电极反向电流,它只与温度有关,在一定温度下是个常数,所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管,Icbo很小,小功率锗管的Icbo约为1~10微安,大功率锗管的Icbo可达数毫安,而硅管的Icbo则非常小,是毫微安级。
(2)集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流)基极开路(Ib=0)时,集电极和发射极之间加上规定反向电压Vce时的集电极电流。Iceo大约是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)Icbo o Icbo和Iceo受温度影响极大,它们是衡量管子热稳定性的重要参数,其值越小,性能越稳定,小功率锗管的Iceo比硅管大。
(3)发射极---基极反向电流Iebo 集电极开路时,在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流,它实际上是发射结的反向饱和电流。
(4)直流电流放大系数β1(或hEF) 这是指共发射接法,没有交流信号输入时,集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值,即:
β1=Ic/Ib
2、交流参数
(1)交流电流放大系数β(或hfe) 这是指共发射极接法,集电极输出电流的变化量△Ic与基极输入电流的变化量△Ib之比,即:
β= △Ic/△Ib
一般晶体管的β大约在10-200之间,如果β太小,电流放大作用差,如果β太大,电流放大作用虽然大,但性能往往不稳定。
(2)共基极交流放大系数α(或hfb) 这是指共基接法时,集电极输出电流的变化是△Ic与发射极电流的变化量△Ie之比,即:
α=△Ic/△Ie
因为△Ic<△Ie,故α<1。高频三极管的α>0.90就可以使用
α与β之间的关系:
α= β/(1+β)
β= α/(1-α)≈1/(1-α)
(3)截止频率fβ、fα 当β下降到低频时0.707倍的频率,就是共发射极的截止频率fβ;当α下降到低频时的0.707倍的频率,就是共基极的截止频率fαo fβ、fα是表明管子频率特性的重要参数,它们之间的关系为:
fβ≈(1-α)fα
(4)特征频率fT因为频率f上升时,β就下降,当β下降到1时,对应的fT是全面地反映晶体管的高频放大性能的重要参数。
3、极限参数
(1)集电极最大允许电流ICM 当集电极电流Ic增加到某一数值,引起β值下降到额定值的2/3或1/2,这时的Ic值称为ICM。所以当Ic超过ICM时,虽然不致使管子损坏,但β值显著下降,影响放大质量。
(2)集电极----基极击穿电压BVCBO 当发射极开路时,集电结的反向击穿电压称为BVEBO。
(3)发射极-----基极反向击穿电压BVEBO 当集电极开路时,发射结的反向击穿电压称为BVEBO。
(4)集电极-----发射极击穿电压BVCEO 当基极开路时,加在集电极和发射极之间的最大允许电压,使用时如果Vce>BVceo,管子就会被击穿。
(5)集电极最大允许耗散功率PCM 集电流过Ic,温度要升高,管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积,即Pc=Uce×Ic.使用时庆使Pc<PCM。
PCM与散热条件有关,增加散热片可提高PCM。
详解三极管 结构 制程 原理特性 电路 分类与发展