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1、精选优质文档-倾情为你奉上三极管及其应用电路一、 简述半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。其他的两个电极成为集电极（用字母c表示）和发射极（用字母e表示）。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。二、三极管的识别三极管的电路符号有两种：有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。基区：较薄，掺杂浓度低
2、；发射区：掺杂浓度较高，多子载流子多；集电区：面积较大。图2 NPN和PNP三极管的等效模型三、 三极管工作原理分析（详情参见华为模电资料）讲三极管的原理我们从二极管的原理入手讲起。我们知道二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。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。因为P区除了因“掺杂”而产生的多数载流子“空
3、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。由于PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场，而内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向通过，所以，多数载流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用，需要约0.7伏的外加电压，这是PN结正向导通的门电压。而反偏时，内电场在电源作用下会被加强也就是PN结加厚，少数载流子反向通过PN结时，内电场作用方向和少数载流子通过PN结的方向一致，也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有阻碍作用，甚至还会有帮助作用。结论：反偏时少数载流子反向通过PN结是比正偏时多
4、数载流子正向通过PN结还要容易。这就能解释为什么三极管在饱和状态下，集电极电位很低甚至会接近或稍低于基极电位，集电结处于零偏置，但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic产生。2）集电极电流Ic的形成：如图C，发射结加上正偏电压导通后，在外加电压的作用下，发射区的多数载流子电子就会很容易地被大量发射进入基区。这些载流子一旦进入基区，它们在基区（P区）的性质仍然属于少数载流子的性质。如前所述，少数载流子很容易反向穿过处于反偏状态的PN结，所以，这些载流子电子就会很容易向上穿过处于反偏状态的集电结到达集电区形成集电极电流Ic。由此可见，集电极电流的形成并不是一定要靠集电极的高电位。集电极电流的大小更主要
5、的要取决于发射区载流子对基区的发射与注入，取决于这种发射与注入的程度。所以说：Ic的本质是“少子”电流，是通过电子注入而实现的人为可控的集电结“漏”电流，因此它就可以很容易地反向通过集电结。这就可以证明：三极管在放大状态下，集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关的原因。放大状态下Ic并不受控于Vc，Vc的作用主要是维持集电结的反偏状态。3）Ic与Ib的关系：通过上面的讨论，现在已经明白，三极管在电流放大状态下，内部的主要电流就是由载流子电子由发射区经基区再到集电区贯穿三极管所形成。当三极管的基极B上加一个微小的电流IB时，在集电极C上可以得到一个是注入电流倍（电流放大系数）的电流，即集电极电
6、流Ic（Ic=IB ）。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。三极管的电流Ic主要是电子流。这种贯穿的电子流与历史上的电子三极管非常类似。如图E，图E就是电子三极管的原理示意图。电子三极管的电流放大原理因为其结构的直观形象，可以很自然得到解释。如图E所示，很容易理解，电子三极管Ib与Ic之间的固定比例关系，主要取决于电子管栅极（基极）的构造。当外部电路条件满足时，电子三极管工作在放大状态。在放大状态下，穿过管子的电流主要是由发射极经栅极再到集电极的电子流。电子流在穿越栅极时，很显然栅极会对其进行截流，截流时就存在着一个截流
7、比问题。截流比的大小，则主要与栅极的疏密度有关，如果栅极做的密，它的等效截流面积就大，截流比例自然就大，拦截下来的电子流就多。反之截流比小，拦截下来的电子流就少。栅极拦截下来的电子流其实就是电流Ib，其余的穿过栅极到达集电极的电子流就是Ic。从图中可以看出，只要栅极的结构尺寸确定，那么截流比例就确定，也就是Ic与Ib的比值确定。所以，只要管子的内部结构确定，的值就确定，这个比值就固定不变。由此可知，电流放大倍数的值主要与栅极的疏密度有关。栅极越密则截流比例越大，相应的值越低，栅极越疏则截流比例越小，相应的值越高。 其实晶体三极管的电流放大关系与电子三极管类似。晶体三极管的基极就相当于电子三极管
8、的栅极，基区就相当于栅网，只不过晶体管的这个栅网是动态的是不可见的。放大状态下，贯穿整个管子的电子流在通过基区时，基区与电子管的栅网作用相类似，会对电子流进行截流。如果基区做得薄，掺杂度低，基区的空穴数就会少，那么空穴对电子的截流量就小，这就相当于电子管的栅网比较疏一样。反之截流量就会大。与电子管不同的是，晶体管的截流主要是靠分布在基区的带正电的“空穴”对贯穿的电子流中带负电的“电子”中和来实现。所以，截流的效果主要取决于基区空穴的数量。而且，这个过程是个动态过程，“空穴”不断地与“电子”中和，同时“空穴”又不断地会在外部电源作用下得到补充。在这个动态过程中，空穴的等效总数量是不变的。基区空穴
9、的总数量主要取决于掺“杂”度以及基区的厚薄，只要晶体管结构确定，基区空穴的总定额就确定，其相应的动态总量就确定。这样，截流比就确定，晶体管的电流放大倍数的值就是定值。这就是为什么放大状态下，三极管的电流Ic与Ib之间会有一个固定的比例关系的原因。4）内部载流子的传输过程发射区：发射载流子；集电区：收集载流子；基区：传送和控制载流子（以NPN为例） IE = IEN+ IEPIC = ICN+ ICBOIB = IEP+ IBN- ICBO = IEP+ IEN - ICN ICBO = IE - IC3. 电流分配关系根据传输过程可知：IE=IB+ IC；IC= ICN+ ICBO通常 IC
10、ICBO a 为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。由载流子的传输过程可知，由于电子在基区的符合，发射区注入到基区的电子并非全部到达集电极，管子制成后，符合所占的比例就定了。也就是由发射区注入的电子传输到集电结所占的百分比时一定的。这个百分比用a表示。称为共基极电流放大系数，一般 a = 0.90.99 。根据 IE=IB+ IC；IC= ICN+ ICBO且令ICEO= (1+ b ) ICBO（穿透电流） b 是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 b 1 。四、三极管曲线特性三极管的曲线特性即指三极管的伏安特性
11、曲线，它是描述三极管的各端电流与两个PN结外加电压之间的关系的一种形式，其特点是能直观，全面地反映晶体管的电气性能的外部特性。包括输入特性曲线和输出特性曲线。4.1输入特性是指三极管输入回路中，加在基极和发射极的电压UBE与由它所产生的基极电流IB之间的关系。UCE=const即一个固定值。1）UCE = 0时，相当于集电极与发射极短路，此时，IB和UBE的关系就是发射结和集电结两个正向二极管并联的伏安特性。因为此时发射结和集电结均正偏，IB是发射区和集电区分别向基区扩散的电子电流之和。 2）UCE1V时，即：给集电结加上固定的反向电压，集电结的吸引力加强！使得从发射区进入基区的电子绝大部分流
12、向集电极形成Ic。同时，在相同的UBE值条件 下，流向基极的电流IB减小，即特性曲线右移。总之，晶体管的输入特性曲线与二极管的正向特性相似，因为b、e间是正向偏置的PN结（放大模式下）输入特性曲线图4.2输出特性通常是指在一定的基极电流IB控制下，三极管的集电极与发射极之间的电压UCE同集电极电流Ic的关系。IB=const即一个固定值。根据外加电压的不同，整个曲线可划分为四个区：放大区、截止区、饱和区、击穿区4.2.1）饱和区（Ic随UCE的增加而增加，即Ic受UCE显著控制的区域，该区域内UCE的数值较小，一般UCE 0.7V(硅管)，此时发射结正偏，集电结正偏）即：UCEIC，UCE0.
13、3V ；在饱和模式下：UBE0.7V，UBC0，当 IB 改变时，Ic 基本上不会随之而改变。晶体管饱和的程度将因IB和Ic的数值不同而改变，一般规定： 当 UCE=UBE 时的状态为临界饱和（UCB=0）； 当 UCEUBE 时的状态为过饱和；饱和时的UCE用UCES表示，三极管深度饱和时UCES很小，一般小功率管的UCE= UCES 0.3V，而锗管的UCES 0.1V，比硅管还要小，bIB IC , IB IBS。4.2.2）放大区（Ic平行于UCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时发射结正偏，集电结反偏，UCE 0.7V(硅管)）。即： IC=bIB , 且 DIC = b D IB ,
14、 IC只与IB有关。在放大模式下：UBE 0.7V, UBC IB；随着UCE的增加，曲线有些上翘。结论：在放大区，UBE 0.7V，UBCIB，具有很强的电流放大作用。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号。 4.2.3截止区（IC接近零的区域，相当IB=0的曲线的下方，此时发射结反偏，集电结反偏） 即：UBE 死区电压（死区电压：硅管0.5V，锗管0.2V）， IB=0 ， IC=ICEO 0 ；在截止模式下：UBE0.7V，UBC ICM时，并不表示三极管会损
15、坏。 3.2集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM = ICVCB ICVCE 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB 。 3.3反向击穿电压U(BR)CEO六、三极管放大电路工作原理分析1.三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：晶体管必须偏置在放大区：发射结正向偏置，集电结反向偏置。 2.基本放大电路分析放大电路时有两类问题：直流问题和交流问题。（电感通直阻交，电容
16、通交阻直）（1）直流通路：将放大电路中的电容视为开路，电感视为短路即得。它又被称为静态分析。（2）交流通路：将放大电路中的电容视为短路，电感视为开路，直流电源视为短路即得。它又被称为动态分析。2.1.共射极放大电路2.1.1）静态放大电路不加输入信号（Vi= 0 或 Ii= 0）时，电路中各处的电压、电流都是固定不变的直流量，这时电路处于直流工作状态，简称静态。电路处于静态时，三极管三个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、 IC和VCE （或IBQ、ICQ和VCEQ ）表示。设置正确静态的必要性：设置正确的静态：输出电压必然失真！静态工作点(Q点）的
17、分析计算（求IB、IC、VCE） 步骤：2.1.1.1）画直流通路：直流电流流经的通路原则： Us=0，保留Rs；电容开路；电感相当于短路（线圈电阻近似为0）2.1.1.2）计算静态工作点2.1.2）动态输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。输入正弦信号Us ，电路将处在动态工作情况。此时，三极管各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。 画交流通路：信号电流流经的通路 原则：大容量电容相当于短路；直流电源VCC相当于交流接地。2.1.3）两种实用放大电路2.1.3.1）直接耦合放大电路2.1.3.2) 阻容耦合放大电路C1、C2为耦合电容,耦合电容的容量应足
18、够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。例题：放大电路如图所示。已知BJT的 =80， Rb=300kW ， Rc=2kW， VCC= +12V，求：1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（2）当Rb=100kW时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）解：（1）静态工作点为Q（40mA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。（2）当Rb=100kW时，VCE不可能为负值，其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：此时，Q（120uA，6mA，0V），由于bIBQ ICM 所以BJT工作在饱和区。2.2. 集电极放大电路和共基极放
19、大电路的分析原理与共射极放大电路分析类似不重复不累赘（了解即可）。2.3. 放大电路三种组态的比较 2.3.1） 三种组态的判别：以输入、输出信号的位置为判断依据信号由基极输入，集电极输出共射极放大电路，以基极电流IB 作为输入控制电流。信号源消耗的功率很小。信号由基极输入，发射极输出共集电极放大电路信号由发射极输入，集电极输出共基极电路，以发射极电流IE 作为输入控制电流。2.3.2）三种组态比较说明：输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数，输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。因而，输入电阻越大越好，输出电阻越小越好。在三极管放大电路中：直流、交流信号时共存的，二
20、两种信号的作用不同。直流信号是基础，它为BJT提供正确的偏置，保证BJT工作在放大状态，并同时为BJT提供合适的直流工作点，以保证放大电路不失真地放大交流信号；交流信号时被放大的量。输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。【注释】符号规定UA：大写字母、大写下标，表示直流量；uA：小写字母、大写下标表示全量（既可是交流也可是直流）；ua小写字母小写下标，表示交流分量。2.3.2.1共射极放大电路：VCC集电极电源为电路提供能量，并保证集电结反偏。RC集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。US基极电源与RB基极电阻
21、，发射结正偏，并提供适当的静态工作点。Cb1，Cb2耦合电容（隔直流通交流，放大交流信号输出交流信号）：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。2.3.3）三种组态的特点及用途2.3.3.1）共射极放大电路：电压和电流增益都大1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。2.3.3.2）共集电极放大电路（射极跟随器）：只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。2.3.3.3）共基极放大电路：只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随
22、作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。 2.4 总结2.4.1.工作模式 发射结 集电结 放大区 正偏 反偏 饱和区 正偏 正偏 截至区 反偏 反偏 2.4.2. 根据三极管正常放大的工作条件，工作在放大区的三极管，三个电极的电位有如下关系： NPN型：VCVBVE PNP型：VCVBVE 2.4.3不同材料的三极管，正常工作在放大区时，发射结的压降不同。硅管：VBE= 0.7V（约） 锗管：VBE= 0.3V（约）2.5 组合放大电路 多级放大电路的级间耦合形式：1）直接耦合，耦合电路采用直接连接或电
23、阻连接，不采用电抗性元件。直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。2）电抗性元件耦合：级间采用电容或变压器耦合。抗性元件耦合，只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。 2.5.1）共射共基放大电路的（Av、 Ri 、Ro） 原理图 交流通路 组合放大电路总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积。前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻RL。电压增益其中：所以： 因为：因此：输入电阻输出电阻 Ro Rc2 2.5.2）共集共集放大电路2.5.2.1）四种组合方式：2.5.2.2）求共集-共集放大电路的
24、（Av、 Ri 、Ro ）注：T1、T2构成复合管，可等效为一个NPN管原理图（上图） 交流通路（下图） 七、偏置电路三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb（电
25、阻一端接基极，另一端Vcc）就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。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。八、三极管开关电路工作原理分析7.1原理分析：如右图以NPN为例，因为受到电阻 Rc的
26、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* 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VCE 0，可以理解为 一个开关闭合。若三极管是在截止区：IB趋近于0 (Ube 亦趋近于0)，说明外部电压Ube太小，没有达到发射结的门电压值0.7V，发射区没有载流子“电子”向基区的发射注入，所以，此时既不会有电流IB，也更不可能有电流Ic。C 极与E 极间约呈断路状态，负载无电流，Ic = IB，Ic = 0，VCE = V
27、CC。三极管在截止态时 C-E 间如同断路，在饱和态时C-E 间如同通路，因此可以作为开关。7.2最小控制电流IIN 电压VIN的分析与计算由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为VBE = 0.6伏特，因此欲使三极管截止，Vin必须低于0.6伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使Vin值低于 0.3伏特。三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上，如此则VCE便接近于0，而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下，根据欧姆定律，三极管呈饱和时，其集电极电流应该为：因此，基极电流最少应为：
28、 由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路，那么VIN最少为： 7.3开关应用举例 (1) UI = UIL = - 2V时, 发射结反偏 T 截止: (2) UI = UIH = 3V时, 发射结正偏T 导通(放大还是饱和？): (3)饱和导通条件: ;因为： 所以：T 饱和 7.3常见三极管开关电路八、温度对晶体管特性的影响由于三极管也是由半导体材料构成，和二极管一样，温度对晶体管的特性有着不容忽视的影响。表现在以下三个方面：1、温度对UBE的影响：输入特性曲线随温度升高向左移，这样在IB不变时，UBE将减小。UBE随温度变化的规律与二极管正向导通电压一样，即：温度每升高1，UBE减
29、小22.5mV。2、温度对ICBO的影响：ICBO是集电结的反向饱和电流，它随温度变化的规律是：温度每升高10，ICBO约增大一倍。3、温度对的影响：晶体管的电流放大系数随温度升高而增大，变化规律是：每升高1，值增大0.51%。在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度升高而增大。总之： 温度对UBE、ICBO和 的影响反映在管子上的集电极电流 Ic上，它们都是使 Ic随温度升高而增大，这样造成的后果将在后面的放大电路的稳定及反馈中详细讨论九、三极管的具体应用 1）三极管的结构特点：发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。2)
30、三极管的分类 按频率分：高频管、低频管； 按功率分：小、中、大功率管；按半导体材料分：硅、锗管；按结构分：NPN和PNP管；3）电子制作中常用的三极管有90系列，包括低频小功率硅管9013（NPN）、9012（PNP），低噪声管9014（NPN），高频小功率管9018（NPN）等。它们的型号一般都标在塑壳上，而样子都一样，都是TO-92标准封装。除9012和9015为PNP型管外，其余均为NPN型管。4）三极管的管脚判别：4.1 目测法：常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类，引脚的排列方式具有一定的规律，如图对于小功率金属封装三极管，按图示底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶
31、点上，从左向右依次为e b c；对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为e b c。4.2 用万用表电阻档判别:具体方法如下：a、先确定基极，将万用表拨到“R100”或“R1k”挡，先假设某一管脚为基极b，将黑表笔与b 相接；红表笔先后接到其余两个管脚上，如果两次测得的电阻都很大(或都很小)，而对换表笔后再次测得的两个电阻都较小(或都很大)，则所假设的基极是正确的。如果两次测得的电阻值一大一小，则说明所作的假设错了。这时就需重新假定另一管脚为“基极”，再重复上述的测试过程。当基极确定以后，若黑表笔接基极，红表笔分别接其他两极，测得的两个电阻值都较小，则为N
32、PN 型管；反之，则为PNP 型管。b、 判别集电极和发射极：将万用表置于电阻档，对于PNP型管，红表笔接基极，黑表笔分别接触，另外两个引脚，测出两个电阻。在阻值小的中黑表笔接的为集电极。在阻值大的一次测量中，黑表笔接的是发射极。对于NPN型管，黑表笔接基极，测出阻值小的一次红表笔所接的为集电极，阻值大的一次红表笔所接的为发射极。5）实际上，已经有7407、ULN2003可以取代三极管在数字电路中的作用；但是，有时是受到PCB面积的制约，有时是为了降低成本，有时是因为布局方便，在12个输出点时，还是可以使用三极管来做驱动的。例如：驱动一个蜂鸣器；往往系统中的蜂鸣器跟其它驱动设备，继电器等，距离较远；这时，没有必要使用一片7407，或者ULN2003来驱动；常用的PNP三极管是2N5551，驱动40mA的LED（电压在24V）、蜂鸣器等均没有问题。4）常用三极管专心-专注-专业