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另一个原因就是输出信号范围的要求,如果没有加偏置,那么只有对那些增加的信号放大,而对减小的信号无效(因为没有偏置时集电极电流为0,不能再减小了)。
而加上偏置,事先让集电极有一定的电流,当输入的基极电流变小时,集电极电流就可以减小;
当输入的基极电流增大时,集电极电流就增大。
这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。
下面说说三极管的饱和情况。
像上面那样的图,因为受到电阻Rc的限制(Rc是固定值,那么最大电流为U/Rc,其中U为电源电压),集电极电流是不能无限增加下去的。
当基极电流的增大,不能使集电极电流继续增大时,三极管就进入了饱和状态。
一般判断三极管是否饱和的准则是:
Ib*β〉Ic。
进入饱和状态之后,三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小,可以理解为一个开关闭合了。
这样我们就可以拿三极管来当作开关使用:
当基极电流为0时,三极管集电极电流为0(这叫做三极管截止),相当于开关断开;
当基极电流很大,以至于三极管饱和时,相当于开关闭合。
如果三极管主要工作在截止和饱和状态,那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。
如果我们在上面这个图中,将电阻Rc换成一个灯泡,那么当基极电流为0时,集电极电流为0,灯泡灭。
如果基极电流比较大时(大于流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数β),三极管就饱和,相当于开关闭合,灯泡就亮了。
由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点就行了,所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通断。
如果基极电流从0慢慢增加,那么灯泡的亮度也会随着增加(在三极管未饱和之前)。
我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib;
因为受到电阻Rc的限制(Rc是固定值,那么最大电流为U/Rc,其中U为电源电压),集电极电流是不能无限增加下去的。
如果我们在将电阻Rc换成一个灯泡,那么当基极电流为0时,集电极电流为0,灯泡灭。
如果基极电流从0慢慢增加,那么灯泡的亮度也会随着增加(在三极管未饱和之前
三极管截止与饱合状态
截止状态
三极管作为开关使用时,仍是处于下列两种状态下工作。
1.截止(cutoff)状态:
如图5所示,当三极管之基极不加偏压或
加上反向偏压使BE极截止时(BE极之特性和二极管相同,须加
上大于0.7V之正向偏压时才态导通),基极电流IB=0,因为IC=β
IB,所以IC=IE=0,此时CE极之间相当于断路,负载无电流。
a)基极(B)不加偏压使
基极电流IB等于零
(b)基极(B)加上反向偏
压使基极电流IB等于零
(c)此时集极(C)与射极(E)
之间形同段路,负载无
电流通过
图5三极管截止状态
饱合状态
饱合(saturation)状态:
如图6所示,当三极管之基极加入驶
大的电流时,因为IC≒IE=β×
IB,射极和集极的电流亦非常大,此
时,集极与射极之间的电压降非常低(VCE为0.4V以下),其意义相
当于集极与射极之间完全导通,此一状态称为三极管饱合。
图6(a)基极加上足够的顺向
(b)此时C-E极之间视同
偏压使IB足够大
导通状态
晶体管的电路符号和各三个电极的名称如下
图7PNP型三极管
图8NPN型三极管
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为参数)从图9(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≈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9
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可达数毫安培,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)IcbooIcbo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:
三极管的工作原理
(本文以NPN型三极管为例)
前言
相信很多初学电子的朋友,在刚接触三极管的时候,都很难理解其原理,笔者当初就是如此。
虽然知道它的作用是可以用小电流控制大电流——电流放大作用,但对于里面的原理却一直困惑。
在网上找了很多资料,对其原理描述都很模糊。
笔者查询了和三极管相关的半导体资料,对其原理有进一步的认识,想拿出来和各位电子初学者一起学习,同时希望抛砖引玉,学习其他电子爱好者的观点。
关键字:
三极管
原理
电子初学者
电子爱好者
一、概念理解
1、N型半导体:
又称为电子型半导体。
在纯净的硅晶体中通过特殊工艺掺入少量的五价元素(如磷、砷、锑等)而形成,其内部自由电子浓度远大于空穴浓度。
所以,N半导体内部形成带负电的多数载流子——自由电子,而少数载流子是空穴。
N型半导体主要靠自由电子导电。
由于自由电子主要由所掺入的杂质提供,所以掺入的五价杂质越多,自由电子的浓度就越高,导电性能就越强。
而空穴由热激发形成,环境温度越高,热激发越剧烈。
2、P型半导体:
又称为空穴型半导体。
在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼)而形成,其内部空穴浓度远大于自由电子浓度,所以,P型半导体内部形成带正电的多数载流子——空穴,而少数载流子是自由电子。
P型半导体主要靠空穴导电。
由于空穴主要由所掺入杂质原子提供,掺入三价的杂质越多,空穴的浓度就越高,导电性能就越强。
而自由电子是由热激发形成,环境温度越高,热激发越激烈。
3、PN结及特性:
P型和N型半导体接触时,在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散,电子从N型半导体向P型半导体扩散。
空穴和电子相遇而复合,载流子消失。
因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子,却有内建一个由N区指向P区的内电场。
由于内电场是由多子建成,所以达到平衡后,内建电场将阻挡多数载流子的扩散,但不能阻止少数载流子。
P区和N区的少数载流子一旦接近PN结,便在内电场的作用下漂移到对方。
PN结的单向导电性
外加正向电压(正偏):
在外电场作用下,多子将向PN结移动,结果使空间电荷区变窄,内电场被削弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移,扩散运动起主要作用。
结果,P区的多子空穴将源源不断的流向N区,而N区的多子自由电子亦不断流向P区,这两股载流子的流动就形成了PN结的正向电流。
外加反向电压(反偏):
在外电场作用下,多子将背离PN结移动,结果使空间电荷区变宽,内电场被增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散,漂移运动起主要作用。
漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反,称为反向电流。
因少子浓度很低,反向电流远小于正向电流。
当温度一定时,少子浓度一定,反向电流几乎不随外加电压而变化,故称为反向饱和电流。
4、扩散和漂移:
多数载流子移动时扩散,少数载流子移动时漂移。
5、复合:
电子和空穴相遇就会复合,大量的电子-空穴对复合就形成电流。
6、空间电荷区:
也称耗尽层。
在PN结中,由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运动,使PN结中间的部位(P区和N区交界面)产生一个很薄的电荷区,它就是空间电荷区。
在这个区域内,多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗殆尽了,因此,空间电荷区又称为耗尽层。
P区一侧呈现负电荷,N区一侧呈现正电荷,因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的内电场。
内电场将阻碍多子的扩散,而少子一旦靠近PN结,便在内电场的作用下漂移到对方。
PN结正偏时,内电场减弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。
PN结反偏时,扩散运动使空间电荷区加宽,内电场增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散。
7、内电场:
PN结附近空间电荷区中,方向由N区指向P区的内电场。
内电场对多数载流子起隔离作用,而对少数载流子起导通作用。
8、载流子:
可以自由移动的带有电荷的物质微粒,如电子和离子。
金属中为电子,半导体中有两种载流子即电子和空穴。
9、少数载流子:
P型半导体地少数载流子是自由电子,N型半导体中是空穴。
10、二极管:
单向导电性。
正偏多数载流子可以通过,反偏少数载流子可以通过。
反偏时P型半导体和N型半导体不能提供源源不断的少数载流子,所以反偏近似无电流。
二、三极管的工艺要求及作用
1、发射区掺杂浓度高:
确保发射区中有足够多的多数载流子——电子,当基极电压高于发射极的时候,才有足够多的电子扩散到基极。
2、基区做得非常薄:
可以更好的让基极(P型半导体)中的少数载流子——电子漂移到集电极。
三、工作条件
1、集电极电压(Vc)大于基极电压(Vb),基极电压(Vb)稍高于发射极电压(Ve)。
即:
Vc>
Vb>
Ve,其中Vb一般高于Ve为0.7V;
Vc常见电压比Ve高12V。
这样就使得集电结反偏,发射结正偏。
2、如要取得输出必须加负载电阻。
四、三极管的工作原理
图解如下:
照片名称:
三极管工作原理,所属相册:
电子
NPN型三极管工作原理图
五、关于三极管的问题
1、集电极(C极)处于反偏状态,为什么还有电流通过?
答:
PN结正偏情况下是利于“多数载流子”通过,而反偏则利于“少数载流子”通过,对于基极(B极)来说,它的少数载流子是电子,而当基极电压高于发射极,有电流注入时,发射结正偏导通,发射区向基区扩散大量电子。
这些电子在内电场的作用下漂移到C极。
从三极管外部看来,电流能通过反偏的集电结,其实,要分清楚“多子”、“少子”的区别。
P型半导体的多子是空穴,少子是自由电子;
N型半导体的多子是自由电子,少子是空穴。
2、为什么集电极要加上很高的电压?
电压高能使集电结的内电场更强,作用在少子上的力更大,有利于少子、尤其是从基区漂移到发射区的电子;
同时阻止多子的通过。
3、为什么基区要做得很薄?
因为少子越贴近内电场,就越容易受其作用漂移到PN结对面。
如果做得太厚,那进入基区的电子就不能很好地受内电场的作用,不能很好地漂移到集电区,所以要从生产工艺上把它做得很薄,厚度一般在几个微米至几十个微米。
4、为什么发射区的掺杂浓度最高?
发射区掺杂浓度高才有更多的多数载流子,P型半导体中的多子是空穴,而NPN型半导体的发射区是N型半导体,掺杂浓度高使其有更多的自由电子,这样在基极和发射极的电压差(基极高于发射极)作用下,才有更多电子扩散到基区。
假设发射区的掺杂浓度和基区浓度相同,那么扩散到基区的电子绝大多数会跟基区的空穴进行复合掉,电流的放大能力下降。
5、放大倍数β如何确定?
在生产过程中,控制基区的厚度和各个区的掺杂浓度,就能生产出不同放大倍数β的三极管。
6、基极(B极)小电流如何控制集电极大电流?
当基极没有电流的时候,集电结几乎没有电子通过;
基极电流慢慢增大时,集电结在正偏电压作用下,多子逐渐激烈地向基区扩散。
由于基区掺杂浓度低,扩散到集电区的多子少,需要外部注入的电流小。
发射区掺杂浓度高,扩散到基区的多子多,需要外部注入的电流大。
放大倍数跟基区厚度、发射区掺杂浓度成正比。
发射极跟基极复合的电子非常少,主要被集电结的内电场拉到集电区,集电极电流近似于发射极电流。
外部注入基极电流越大,发射区到基区的电子扩散就越激烈,漂移到集电区的电子也越多。
在三极管的外部看来,发射极电流和集电极电流也急剧增大。
7、用两个二极管可否焊接成一个三极管?
虽然两个二极管能结成一个NPN或PNP型的三极管,但其内部硅晶体的掺杂浓度不同于三极管,再者“基极”没能做得很薄,漂移过“集电结”的少子相当少(不是没有),因此发射极中的载流子几乎不能到达集电结。
和二极管的伏安特性一样,三极管的输入特性也有一段死区,只有当UBE大于死区电压时,三极管才会出现基极电流IB。
通常硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为0.1V。
在正常工作情况下,NPN型硅管的发射结电压UBE为0.6~0.7V,PNP型锗管的发射结电压UBE为-0.2~-0.3V。
三极管的输出特性是指当基极电流IB一定时,集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。
在不同的IB下,可得出不同的曲线,所以三极管的输出特性是一组曲线。
通常把输出特性曲线分为三个工作区:
1、放大区:
输出特性曲线的近于水平部分是放大区。
在放大区,IC=IB×
?
由于在不同IB下电流放大系数近似相等,所以放大区也称为线性区。
三级管要工作在放大区,发射结必须处于正向偏置,集电结则应处于反向偏置,对硅管而言应使UBE>
0,UBC<
0。
2、截止区:
IB=0的曲线以下的区域称为截止区。
实际上,对NPN硅管而言,当UBE<0.5V时即已开始截止,但是为了使三极管可靠截止,常使UBE≤0V,此时发射结和集电结均处于反向偏置。
3、饱和区:
输出特性曲线的陡直部分是饱和区,此时IB的变化对IC的影响较小,放大区的?
不再适用于饱和区。
在饱和区,UCE<UBE,发射结和集电结均处于正向偏置。
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