三极管基础

前言

三极管是一种电流信号放大器件。
三极管是有源器件,正常工作需要外加电源。
给三极管输入小电流,能够得到几十、几百倍的输出电流。
像是一个水龙头,我们轻轻转动阀门,就可以控制很大的水压、水流。


管道阀门

电路符号

如图,圆圈中的标志即是三极管的电路符号。它有三个引脚b-c-e(绿色字体),分别是基极Base,集电极Collector,发射极Emiter。
9013是一种三极管器件型号。
常见的低频小功率三极管型号有9012,9013,8050,8550……

三极管

电流放大特点体现为:IC=β·IB,β是放大倍数。以及,IE=IB+IC=(1+β)·IB

三极管符号:NPN和PNP

器件外形

图下的字符是器件封装名称,器件型号一般印刷在器件上。

各种封装的器件

引脚识别参考下图,但还是请以具体器件的型号手册为准。
器件手册查询网站推荐:http://www.alldatasheetcn.com/
三极管引脚定义

信号放大原理

结构决定性质。
先看三极管组成结构,以NPN型三极管为例:

NPN三极管由两片N型半导体夹着一片P型半导体组成,分别引出3个引脚:集电极Collector,基极Base,发射极Emitter(后文简称C、B、E)。
中间基区的P型很薄很薄且掺杂浓度低,下面发射区的N型比上面集电区的N型掺杂浓度高得多。这两个特点很重要。

由图可见,形成了两个方向相反的PN结(白色区域代表空间电荷区,红色箭头代表内电场方向)。所以,在C-E两个引脚间无论加哪个方向的电压都不会导通。

三极管结构

当在B-E间加正偏电压后,BE间PN结(称为发射结)导通,内电场(下方的白色区域)被削弱变窄,发射区电子扩散到基区,在基极外电源的作用下形成基区电流iB。基极和发射极形成一个电流回路,能够产生持续的电流。
发射结正偏

因基区较薄掺杂浓度低,扩展到基区的电子又很多,所以不会全部被空穴复合,多余的电子就会继续向电子浓度稍低的集电区扩散,同时也会受到B-C集电结的内电场作用,漂移到集电区。但是集电极和发射极之间不存在导电回路,便不会产生持续的电流。此时,如果在C-E间也施加正向电压,那么集电区收集到的电子会通过Vce电压泵的作用流向E极,便产生了持续电流。

要注意的是,此时VBase≈0.7V,如果集电极电位Vc较小,比如小于0.7V,那么集电结正偏,内电场被削弱,集电极收集电子的能力也变弱,电流很小。当VC>VB时,集电结反偏,内电场被加强,收集电子能力增强,基区电子就会成功被吸入输出回路。

输入回路电流

输出环路电流

如果增加基极电流,那么扩散到基区的电子也会增加,集电极收集到的电子数量也成倍增加。
如果一直持续增加Vce,却发现输出回路电流不再增加。因为集电结反偏,收集电子能力大大增强,基区电子除了被基极B吸收进入输入回路(左红圈回路),其余几乎都被集电极“抢走”,即便Vce继续增加,单位时间内扩散到基区的电子数依然不变,电流iC也就几乎不增加。输出回路的载流子环路中(右红圈回路),电子的流量,受到发射结在单位时间内扩散运动产生的自由电子数限制,而扩散运动的强度受基极电位VBE影响。

传输特性

根据以上分析,便可以更加容易理解三极管的伏安特性曲线了,如下图:
横轴vCE,纵轴iC
图中有多条平行曲线,分别对应于输入iB为100uA,80uA……0的情形。可以看到,在VCE比较大的时候,也就是放大区,随着iB的等比例增加,输出iC也是等比例增加的,放大倍数β=4mA/100uA=40倍

三极管伏安特性曲线

我们把这幅图分为3个区。
截止区:输入电流 IB为零,输出 IC也是零。
饱和区:由于vCE太小(一般<1V),集电极收集电子数小于扩散电子数。
放大区:vCE增加到1V附近时,集电结反偏收集电子能力增强,基区电子除了被基极B吸收,其余都被集电极“抢走”,即便Vce继续增加,电流iC增加也不明显。

一般在信号放大电路中,我们使用三级管的放大区,利用iC=β·iB
有时候使用三极管的截止区,将三极管当做开关使用。

补充

本文提到的三极管,叫做BJT,双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor)。双极Bipolar 的意思是这种器件的载流子有两种极性。和半导体不同,一般导体(金属)的载流子只有自由电子。
三极管有NPN和PNP两种,如果使其工作在放大区,都需要发射结正偏,集电结反偏。

三极管符号:NPN和PNP

画图方法:三极管符号中有个小箭头,它代表发射结P→N的方向。所以,小箭头都是画在B-E引脚之间,小箭头方向代表P→N。B-C之间不画箭头。
图中红色箭头代表电流方向,不属于电路符号,是我特意标出来给大家看的,两种类型三极管的共同特点:
1、IC=β·IB
2、IE = IB+IC=(1+β)IB≈IC (因为 β>>1,一般为几十到几百)
3、如果工作在放大区,都需要发射结正偏,集电结反偏

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