三極管基礎

前言

三極管是一種電流信號放大器件。
三極管是有源器件,正常工作需要外加電源。
給三極管輸入小電流,能夠得到幾十、幾百倍的輸出電流。
像是一個水龍頭,我們輕輕轉動閥門,就可以控制很大的水壓、水流。


管道閥門

電路符號

如圖,圓圈中的標志即是三極管的電路符號。它有三個引腳b-c-e(綠色字體),分別是基極Base,集電極Collector,發射極Emiter。
9013是一種三極管器件型號。
常見的低頻小功率三極管型號有9012,9013,8050,8550……

三極管

電流放大特點體現為:IC=β·IB,β是放大倍數。以及,IE=IB+IC=(1+β)·IB

三極管符號:NPN和PNP

器件外形

圖下的字符是器件封裝名稱,器件型號一般印刷在器件上。

各種封裝的器件

引腳識別參考下圖,但還是請以具體器件的型號手冊為準。
器件手冊查詢網站推薦:http://www.alldatasheetcn.com/
三極管引腳定義

信號放大原理

結構決定性質。
先看三極管組成結構,以NPN型三極管為例:

NPN三極管由兩片N型半導體夾著一片P型半導體組成,分別引出3個引腳:集電極Collector,基極Base,發射極Emitter(后文簡稱C、B、E)。
中間基區的P型很薄很薄且摻雜濃度低,下面發射區的N型比上面集電區的N型摻雜濃度高得多。這兩個特點很重要。

由圖可見,形成了兩個方向相反的PN結(白色區域代表空間電荷區,紅色箭頭代表內電場方向)。所以,在C-E兩個引腳間無論加哪個方向的電壓都不會導通。

三極管結構

當在B-E間加正偏電壓后,BE間PN結(稱為發射結)導通,內電場(下方的白色區域)被削弱變窄,發射區電子擴散到基區,在基極外電源的作用下形成基區電流iB。基極和發射極形成一個電流回路,能夠產生持續的電流。
發射結正偏

因基區較薄摻雜濃度低,擴展到基區的電子又很多,所以不會全部被空穴復合,多余的電子就會繼續向電子濃度稍低的集電區擴散,同時也會受到B-C集電結的內電場作用,漂移到集電區。但是集電極和發射極之間不存在導電回路,便不會產生持續的電流。此時,如果在C-E間也施加正向電壓,那么集電區收集到的電子會通過Vce電壓泵的作用流向E極,便產生了持續電流。

要注意的是,此時VBase≈0.7V,如果集電極電位Vc較小,比如小于0.7V,那么集電結正偏,內電場被削弱,集電極收集電子的能力也變弱,電流很小。當VC>VB時,集電結反偏,內電場被加強,收集電子能力增強,基區電子就會成功被吸入輸出回路。

輸入回路電流

輸出環路電流

如果增加基極電流,那么擴散到基區的電子也會增加,集電極收集到的電子數量也成倍增加。
如果一直持續增加Vce,卻發現輸出回路電流不再增加。因為集電結反偏,收集電子能力大大增強,基區電子除了被基極B吸收進入輸入回路(左紅圈回路),其余幾乎都被集電極“搶走”,即便Vce繼續增加,單位時間內擴散到基區的電子數依然不變,電流iC也就幾乎不增加。輸出回路的載流子環路中(右紅圈回路),電子的流量,受到發射結在單位時間內擴散運動產生的自由電子數限制,而擴散運動的強度受基極電位VBE影響。

傳輸特性

根據以上分析,便可以更加容易理解三極管的伏安特性曲線了,如下圖:
橫軸vCE,縱軸iC
圖中有多條平行曲線,分別對應于輸入iB為100uA,80uA……0的情形。可以看到,在VCE比較大的時候,也就是放大區,隨著iB的等比例增加,輸出iC也是等比例增加的,放大倍數β=4mA/100uA=40倍

三極管伏安特性曲線

我們把這幅圖分為3個區。
截止區:輸入電流 IB為零,輸出 IC也是零。
飽和區:由于vCE太小(一般<1V),集電極收集電子數小于擴散電子數。
放大區:vCE增加到1V附近時,集電結反偏收集電子能力增強,基區電子除了被基極B吸收,其余都被集電極“搶走”,即便Vce繼續增加,電流iC增加也不明顯。

一般在信號放大電路中,我們使用三級管的放大區,利用iC=β·iB
有時候使用三極管的截止區,將三極管當做開關使用。

補充

本文提到的三極管,叫做BJT,雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor)。雙極Bipolar 的意思是這種器件的載流子有兩種極性。和半導體不同,一般導體(金屬)的載流子只有自由電子。
三極管有NPN和PNP兩種,如果使其工作在放大區,都需要發射結正偏,集電結反偏。

三極管符號:NPN和PNP

畫圖方法:三極管符號中有個小箭頭,它代表發射結P→N的方向。所以,小箭頭都是畫在B-E引腳之間,小箭頭方向代表P→N。B-C之間不畫箭頭。
圖中紅色箭頭代表電流方向,不屬于電路符號,是我特意標出來給大家看的,兩種類型三極管的共同特點:
1、IC=β·IB
2、IE = IB+IC=(1+β)IB≈IC (因為 β>>1,一般為幾十到幾百)
3、如果工作在放大區,都需要發射結正偏,集電結反偏

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