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十个问题帮你深入了解半导体三极管

时间:2014年08月12日  整理:有芯网

三极管是我们在电子电路设计当中经常接触的一种元件,它也被称为晶体三极管和双极型晶体管,其主要作用就是把微弱的信号转化为幅值较大的电信号,可以说是电子电路的核心元件,对于如此重要的基础元件,在一开始就打好基础是非常重要的,本篇文章将透过几个问题来对半导体三极管做出详细的分析。

首先我们来看第一个问题:三极管是由两个 PN 结构成的半导体器件,如果我们用两只二极管按一定的方式连接起来(见图 1 ),能不能组成一个三极管呢?

其实这个问题很多初学者都遇到过,三极管绝不是两个 PN 结的简单凑合,两个二极管的组合不能形成一个三极管。我们以 NPN 型三极管为例(见图 2 ),两个 PN 结共用了一个 P 区 —— 基区,基区做得极薄,只有几微米到几十微米,正是靠着它把两个 PN 结有机地结合成一个不可分割的整体,它们之间存在着相互联系和相互影响,使三极管完全不同于两个单独的 PN 结的特性。三极管在外加电压的作用下,形成基极电流、集电极电流和发射极电流,成为电流放大器件。

接下来让我们看第二个问题,三极管的电流放大作用如何理解?

想要回答这个问题我们先要从三极管的应用说起,三极管内部进行的物理过程是十分复杂的,初学者暂时不必去深入探讨。从应用的角度来讲,可以把三极管看作是一个电流分配器。一个三极管制成后,它的三个电流之间的比例关系就大体上确定了(见图 3 ),用式子来表示就是

 

β 和 α 称为三极管的电流分配系数,其中 β 值大家比较熟悉,都管它叫电流放大系数。三个电流中,有一个电流发生变化,另外两个电流也会随着按比例地变化。例如,基极电流的变化量 ΔI b = 10 μA , β = 50 ,根据 ΔI c = βΔI b 的关系式,集电极电流的变化量 ΔI c = 50×10 = 500μA ,实现了电流放大。

在这里,我们就又面临了一个问题,为什么在三极管内部能够把基极电流变成比它大 β 倍的集电极电流呢?

这个问题其实非常的典型。由于功能上的限制,目前三极管自身并不能把小电流变成大电流,它仅仅起着一种控制作用,控制着电路里的电源,按确定的比例向三极管提供 I b 、 I c 和 I e 这三个电流。

为了容易理解,我们还是用水流比喻电流(见图 4 )。这是粗、细两根水管,粗的管子内装有闸门,这个闸门是由细的管子中的水量控制着它的开启程度。如果细管子中没有水流,粗管子中的闸门就会关闭。注入细管子中的水量越大,闸门就开得越大,相应地流过粗管子的水就越多,这就体现出“以小控制大,以弱控制强”的道理。

由图可见,细管子的水与粗管子的水在下端汇合在一根管子中。三极管的基极 b 、集电极 c 和发射极 e 就对应着图 4 中的细管、粗管和粗细交汇的管子。电路见图 5 ,若给三极管外加一定的电压,就会产生电流 I b 、 I c 和 I e 。调节电位器 RP 改变基极电流 I b , I c 也随之变化。由于 I c = βI b ,所以很小的 I b 控制着比它大 β 倍的 I c 。 I c 不是由三极管产生的,是由电源 V CC 在 I b 的控制下提供的,所以说三极管起着能量转换作用。

 

第三个问题:为了得到比较高的放大倍数,选择三极管时是不是 β 越大越好?

其实单纯从“放大”的角度来看,我们当然希望 β 值越大越好。可是,三极管接成共发射极放大电路(图 6 )时,从管子的集电极 c 到发射极 e 总会产生一有害的漏电流,称为穿透电流 I ceo ,它的大小与 β 值近似成正比, β 值越大, I ceo 就越大。 I ceo 这种寄生电流不受 I b 控制,却成为集电极电流 I c 的一部分, I c = βI b + I ceo 。值得注意的是, I ceo 跟温度有密切的关系,温度升高, I ceo 急剧变大,破坏了放大电路工作的稳定性。所以,选择三极管时,并不是 β 越大越好,一般取硅管 β 为 40 ~ 150 ,锗管取 40 ~ 80 。

 

问题四:三极管的穿透电流一般有多大呢?怎么测量穿透电流?

其实在常温下,锗管的穿透电流比较大,一般由几十微安到几百微安,硅管的穿透电流就比较小,一般只有零点几微安到几微安。 I ceo 虽然不大,却与温度有着密切的关系,它们遵循着所谓的“加倍规则”,这就是温度每升高 10℃ , I ceo 约增大一倍。例如,某锗管在常温 20℃ 时, I ceo 为 20μA ,在使用中管芯温度上升到 50℃ , I ceo 就增大到 160μA 左右。测量 I ceo 的电路很简单(图 7 ),三极管的基极开路,在集电极与发射极之间接入电源 V CC ( 6V ),串联在电路中的电流表(可用万用表中的 0.1mA 挡)所指示的电流值就是 I ceo 。