汽车电工电子技术讲稿21.docx

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汽车电工电子技术讲稿21

§5.2半导体三极管

半导体三极管是最重要的电子元件之一，是一种利用输入电流控制输出电流的控制型元件，在电路中可以起放大和开关作用。

一、三极管的结构、类型及符号

1、结构

半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。

在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电。

两个PN结把半导体分成三个区域。

这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。

因此，三极管有两种类型：

NPN型和PNP型。

三极管的三个电极分别为基极B、发射极E和集电极C，分别对应三极管的三个区：

基区、发射区、集电区，基区和发射区之间的PN结称为发射结，基区和集电区之间的PN结称为集电结。

三极管的外形如图所示结构，外形电气符号等如图所示。

其中电路符号中箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向，

NPN型电路符号PNP型电路符号

二、各电极电流关系及电流放大作用

为了定量地说明晶体管的电流放大与分配关系，用下图所示的实验电路来测量这三个电流。

所得数据如表所示。

设EC=6V，改变可变电阻RB,则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：

晶体管的电流关系数据表

IB/mA

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

IC/mA

<0.001

0.70

1.50

2.30

3.10

3.95

IE/mA

<0.001

0.72

1.54

2.36

3.18

4.05

由以上数据可知：

①当IB=0时，IC=IE并且很小，约等于零；

②每组数据均满足IE=IC+IB；

③每组数据的IC均远大于IB，IC与IB的比值称为晶体管共射接法时的静态（直流）电流放大系数，

 ④基极电流IB的微小变化△IB，会引起集电极电流IC的很大变化△IC，△IC与△IB的比值称为晶体管共射接法时的动态（交流）电流放大系数，用

表示。

即

结论:

（1）IE=IB+IC符合基尔霍夫定律

（2）ICIB，ICIE

（3）ICIB

由此可以看出，晶体管IB微小的变化可以引起Ic较大的变化，如果将微小的信号加在基极上会产生微小的IB电流，但可以得到较大的IC电流，这就是电流的放大作用。

   必须注意，晶体管的电流放大作用实质上是电流控制作用，是用一个较小的基极电流去控制一个较大的集电极电流，这个较大的集电极电流是由直流电源EC提供的，并不是晶体管本身把一个小的电流放大成了一个大的电流，这一点须用能量守恒的观点去分析。

所以晶体管是一种电流控制元件。

三、晶体管的内部工作原理（NPN管）

三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压如图所示

若在放大工作状态，发射结要正偏，由VBB来保证；集电结需要反偏，由VCC、VBB来保证UCB=UCE–UBE

（1）发射区向基区发射电子。

因为发射结正偏，阻挡层变薄，扩散运动增强，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN。

同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。

因此IE=IEN+IEP但因基区多数载流子数量小（空穴浓度小），可忽略。

（少子的漂移所形成的电流亦可忽略不计）所以发射极电流IE≈IEN。

说明IE主要是发射区的多子（电子）扩散形成。

由于两个电源VBB和VCC的负极接在发射极，所以发射区向基区发射的电子都可从电源得到补充，这样就形成了不断的发射极电流IE。

（2）电子在基区的扩散与复合。

   从发射区发射到基区的电子到达基区后，由于靠近发射结附近的电子浓度高于靠近集电结附近的电子浓度，所以这些电子会向集电结附近继续扩散。

在扩散过程中，有小部分电子会与基区的空穴复合，由于电源VBB的正极与基极相接，这些复合掉的空穴均可由VBB补充，因而形成了基极电流IB。

因基区做得很薄，电子在扩散过程中通过基区的时间很短，加上基区的空穴浓度很低，所以从发射区发射到基区的电子在基区继续向集电结附近扩散的过程中，与基区空穴复合的机会很少，因而基极电流IB很小，大部分电子都能通过基区而达到集电结附近。

（3）集电区收集电子从而形成集电极电流IC。

   由于集电结处于反向偏置，PN结变厚，电子和空穴的扩散运动很难进行，在阻挡层电场的作用下，漂移运动得以顺利进行，并起主导作用，这些扩散到集电结附近的电子漂移运动形成集电极电流。

（扩散运动形成的电流可忽略不计。

）

从以上分析可知，从发射区发射到基区的电子中，只有很小部分与基区的电子复合而形成基极电流IB，绝大部分能通过基区并被集电区收集而形成集电极电流IC，如上图所示。

因此，集电极电流IC就会比基极电流IB大得多，这就是晶体管的电流放大作用。

如前所述，晶体管的基区之所以做得很薄，并且掺杂浓度远低于发射区，就是为了使集电极电流比基极电流大得多，从而实现晶体管的电流放大作用。

四、三极管在电路中的连接方式

有三种基本连接方式：

共发射极、共基极和共集电极接法。

最常用的是共发射极接法。

共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；

共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。

共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;

五、三极管的特性曲线（以共发射极接法为例）

三极管特性曲线是三极管内部载流子运动规律的外部体现，是各极电流和极间电压的关系，是我们选用三极管的依据，也是我们正确使用和分析三极管工作的依据，它是全面地描述三极管各极电流和极间电压之间的关系曲线。

它主要有输入特性和输出特性两种。

下面以共射极电路加以介绍。

（一）输入特性曲线

如图所示的共射电路，公共端称为接地端，标上了接地的符号，射极的电位为各极电位的参考点，当UCE不变时，输入回路中的电流IB与电压UBE之间的关系曲线称为输入特性曲线，可用以下表达式来表示：

iB=f（UBE）|UCE=常数。

IB我们理解为输入电流；UBE（发射结电压）为输入电压

测量晶体管特性的实验电路（共射极电路）输入特性曲线

输入特性曲线同样可以通过实验的方式测试出来。

如图所示，为三极管的输入特性曲线，横轴是发射结电压UBE，纵轴为发射极电流IB，UCE要固定成不同的数值，我们首先把UCE固定为0V，在此

图当中如左面的这条曲线。

UCE=0V，实际上相当于两个PN结并联，如下图所示，

基极到发射极之间是一个PN结，这时，Uce等于0，那么基极到集电极也是一个PN结，它相当于两个PN结并联。

这个时候的输出特性就和二极管的伏安特性是非常相近的。

UCE还可以固定为不同的数值，比如，让UCE固定为2V，相应的输入特性如图右边曲线所示，和UCE=0V的曲线比较，曲线发生了右移；当然，我们还可以给UCE固定为不同的数值，但是，UCE>2V以后，这个特性曲线几乎就不再右移了，或者说，它基本上是和UCE=2V的曲线是重合的，不再变化了。

也就是UCE>2V以后，UCE的变化对输入特性的影响不大了，因此，我们通常就用一条UCE=2V的特性曲线来表示三极管的输入特性，这是它实际使用情况的输入特性。

因为实际使用的时候，UCE总是有一定的正值的，它表明输入特性也有一定的死区电压，就是有UBE的时候，UBE有一定的电压，但IB=0，

出现了控制死区，硅管的死区电压大约0.5V左右，锗管的死区电压大约0.2V左右。

当UBE超过了死区电压以后，电流开始出现，起始段增长得比较缓慢，然后IB随UBE的增加增加得比较迅速，而且有一段它们近似为线性关系；那正常工作的这一段所对应的硅管的电压大约为0.6-0.7V左右，锗管所对应的电压大约是0.2-0.3V左右。

这个就是三极管的输入特性曲线。

小结本节内容，答疑、布置作业。

1、三极管结构、类型及电路符号

2、三极管的放大作用

3、三极管在电路中的连接方法

4、三极管特性曲线（输入特性曲线

作业：

1、画出NPN型三极管电气符号说出各电极名称

2、什么叫三极管的动态放大倍数，三极管在放大状态时，各极电流之间的关系。

下面我们来介绍三极管的第二个特性曲线—输出特性曲线。

（二）输出特性曲线

输出特性曲线表示的是集电极的电流IC和电压UCE之间的关系。

IC和电压UCE之间的关系受基极电流TB的影响，我们是在IB等于常数的情况下，反应集电极电流IC与电压UCE之间的关系。

输出特性曲线用下式表示

IC＝f（UCE）|IB=常数

我们同样可以通过实验得到如图所示的输出特性曲线。

可以看到这是一族或一组特性曲线。

它们的条件将IB固定了不同的数值，那么我们首先看一条曲线的变化规律，比如IB为0.04mA的曲线，它是IB=0.04mA的前提下，IC和UCE之间的变化规律。

对于这条曲线来说，UCE如果等于0的话，相应的IC=0，就是说这条曲线是过坐标原点的，然后，UCE增加，在起始段，随着UCE的增加，IC也增加。

值得注意的是当UCE增加到大于1V以后，IC就基本上表现为横流特性，就是说IC和UCE基本上就没有关系了。

从曲线图上来看，就是UCE>1V以后，它增加到5V、10V、15V甚至更高，但0.04mA的这条曲线基本上平行于横轴，基本上不受UCE的控制，它所对应的集电极电流IC就是它在纵轴上的截距，比如0.04mA这条曲线，对应的是大约0.02mA的IC，IC基本上维持不变。

表现为横流特性，这是值得注意的。

UCE对IC失去了控制，表现为横流特性，那么集电极电流IC还能不能发生变化呢？

它靠谁的控制呢？

如图，在横流的这一部分，IB变化，IC就发生变化，也就是IC受IB的控制，IB增加，IC就加大，在特性曲线上是这样表示的，IB固定不同的数值，比如，IB=0，0.02mA、0.04mA、0.06mA……这样的递增，它们的变化规律基本上是相同的，但，IB由0.4mA增加到0.06mA的时候，它们都表现为横流特性，0.04mA所对应的集电极电流是2mA，0.06mA电流所对应的曲线它所对应的IC是3mA。

这样就表明基极电流从40uA变化到0.06mA，是集电极电流从2mA变化到3mA，所以在横流的这一段，IC受IB的控制，表现为IB增加，相应的输出特性曲线上移，锗实际上就体现了基极电流对集电极电流的控制作用，体现了对电流的放大作用。

下面我们进一步说明输出曲线从总体上来看分成三个区域，这三个区域对应了三极管的三个不同的工作状态。

1、放大区

放大区所对应的是输出特性曲线上横流特性区，这时的特性曲线都近似地平行横轴。

那么在放大区工作的条件是什么？

条件就是三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。

对于NPN三极管来说，UBE＞0，UBC＜0。

对硅管来说这时就体现为都有一定的基极电流，这时在正偏电压下产生的，对于硅管来说这个压降大约为0.7V左右；对于锗管来说大约为0.3V左右，这时集电结是反偏的，为什么呢？

因为它的横流特性出现在UCE>1V以后，因此这时的UBC是小于0的，基极电位低于集电极电位，集电结反偏。

三极管在放大区工作的时候特点是什么呢？

特点是集电极电流IC和UCE基本上没有关系，表现为横流特性。

同时表现为IC受IB的控制，体现了电流放大作用。

下面举个例子：

比如，基极电流从0.04mA（40uA）增加到0.6mA（60uA），即△IB=0.06—0.04=0.02（mA）这时，集电极电流增加△IC=3—2=1（mA）这时的电流放大倍数β=1/0.02=50

因此。

在放大区就体现了基极电流的微小变化产生了集电极电流的明显变化。

集电极电流的变化量表现为在纵轴上的截距。

通常，特性曲线IB都是等间隔变化的，这样放大区曲线的间隔就体现了放大性能的强弱，间隔大，相应的△IC就大，它的电流放大作用就越强，同时，△IB=常数，横流区性曲线的间隔如果是均匀的话，就反应出β是常数。

通常输出特性曲线在放大区β总是近似等于常数。

特性曲线分布间隔基本上是均匀的，这就是放大区的线性工作，这一区域它又称为线性区。

以上就是放大区的工作条件和特点，体现了电流的放大作用。

2、截止区

第二个区是截止区。

截止区就是IB=0所对应曲线下面的区域，如图所示，截止区IB=0，这个时候UBE就应该小于死区电压，。

对于硅管来说，UBE就小于0.5V。

从图中可以看到，当IB=0的时候，集电极电流不是零，它在纵轴上的截距标注为ICEO，这个电流我们称之为穿透电流。

这个电流是个失控电流（因IB=0，而IC不等于0），这个穿透电流是由少数载流子形成的，它的数值通常是很小的，但它随温度的增加而增大，以上就是截止区的大致的情况。

通过以上分析我们可以知道，截止区工作的条件是什么，在什么条件下三极管在截止区工作呢？

发射结应该反偏即UBE≦0；发射结反偏，管子就可靠地截止了，集电结也是反偏的，即UBE≦0。

在截止区工作的特点是：

IB=0，IC≈0，这是的管子CE间呈现为高电阻，相当于断开，相当于一个开关的断开。

3、饱和区

饱和区在输出特性曲线上，就是靠近纵轴的区域，如图所示。

饱和区工作的条件是：

发射结正偏，即UBE>0V，集电结也正偏即UBC>0V，这个时候我们可以看到，饱和区对应的是靠近纵轴的区域，这个时候的UCE很低，是零点几伏，饱和区工作的特点是什么呢？

从特性曲线上可以看到，IC不受IB的控制，三极管失去了放大作用。

因在放大区，不同的IB对应不同的输出特性曲线，它们之间有一定的间隔，间隔的大小就表示了电流的放大作用，而在饱和区呢，对应不同的IB输出特性曲线基本上是重合的，表明IC不受IB的控制，表明三极管失去了放大作用。

这主要就是因为集电区失去了收集电子的能力，此时，UCE很小，近似等于零，因此，CE之间就相当于开关接通。

以上介绍了三极管的输入特性和输出特性。

管子的特性曲线和参数是根据需要选用三极管的主要依据。

各种型号三极管的特性曲线可从半导体器件手册查得。

如欲测试某个管子的特性曲线，除了逐个测试以外，还可利用专用的晶体管特性图示仪，它能够在荧光屏上完整地显示三极管的特性曲线族。

总结：

在模拟电路中，三极管一般工作于放大状态，此时应满足发射结正偏、集电结反偏的条件，对NPN管：

UBE＞0,UBC＜0

在数字电路中，三极管工作于截止区和饱和区分别表示两种不同的输出状态，而不能工作于放大区，在截止区的条件下是发射结处于截止状态（UBE＜0或死区电压

在饱和区的条件是发射结和集电结均处于正偏状态（UBE＞UCE）

五、三极管的主要参数（课后阅读

三极管的参数也是用一些数据表示三极管的特性，表示它的性能，表示它的使用范围

六、小结：

（1）三管的结构、类型及符号

（2）三极管各极电流关系及电流放大作用

（3）晶体管的内部工作原理（NPN管）

（4）三极管的特性曲线

作业

1、画出NPN型三极管电气符号说出各电极名称

2、说明三极管在截止区、放大区及饱和区时各结电压的特点（NPN）