三极管是一种利用输入电流控制输出电流的器件,能够放大信号并且具有较好的功率控制、高速工作以及耐久能力,所以它常被用来构成放大器电路,或驱动扬声器、电动机等设备。
三极管本身不具有功率/电压放大的功能,而是通过基极电流Ib从而控制Ic允许的最大电流大小;假如三极管放大倍数β=100,Ib=1mA,那么Ic最大可以通过100mA的电流,此时三极管处于放大状态;那么Ic必须是100mA还是可以是10mA?当然是可以的,此时三极管处于饱和状态。
如下图所示为典型的NPN型三极管工作状态时的载流子移动示意图,IE=IC+IB。对于发射结(B-E结)来说,其在三极管中工作状态与正常的PN结一样,如右下图所示为发射结输入特性曲线:描述三极管压降 VCE一定的情况下,基极电流 IB与发射结压降 VBE之间的函数关系。
我们看到一个现象:加在三极管CE两极的电压VCE越大,那么B-E结的V-I曲线越被往右推;其主要原因是:从发射区(E区)穿越过来的“自由电子”数量取决于VBE的大小,当VBE一定而VCE增加时,更多的“自由电子”被传输到集电区(C区),而留被基区(B区)截留的“自由电子”就变少了,从而需要增加VBE电压,补充更多“自由电子”,所以从B-E结的V-I曲线来看,它变得更难被打开。
在三极管工作原理章节的分析中,我们其实分析到了三极管在不同状态下的工作原理,涉及到了:放大状态,饱和状态,截止状态以及反向工作状态。我们在本节主要分析三极管的3种正常工作状态:放大、饱和和截止状态。
2. 饱和状态:发射结正偏,集电结正偏;——此时VBE0,VCE≤VBE;所以Ib 0,但Ic ≠ β*Ib;Ic随VCE的增大而急剧增加, ΔICβ*ΔIB;等效为开关导通;
——此时VBE>0,VCE>VBE;ΔIC = β*ΔIB,Ic受控于Ib,当Ib保持一定时,Ic也为恒定电流;等效为电流放大器;
三极管三种工作状态对应三个工作区:截止区,放大区,饱和区;除此之外还有一个工作区:击穿区;如下图所示。
1, 软击穿:击穿时PN结温度上升,但还未破坏PN结结构,击穿条件去除后,全部/部分功能得到恢复;
2, 硬击穿:PN结温度太高导致结构完全被破坏, 击穿条件去除后,功能不能恢复。
虽然我们在实际应用中,经常用来作为放大电压的器件,例如:低电平转高电平,信号放大电路等等;但三极管本质上是电流放大的器件,只是利用U=I*R从电流转化到电压上,它的核心方程是:ΔIc= β*ΔIB 和Ic = (/β)*IB;这是我们在讨论三极管主要参数前需要明确的。
1, 共发射极直流放大系数/β(hFE):表示三极管在共射极连接时,某工作点处直流电流IC与IB的比值,/β ≈ IC/IB;
——一般三极管器件资料中给出的放大系数,就是直流放大系数;根据该参数来判断三极管是否处于放大状态;Ic电流达到一定程度后放大系数急剧衰减,实际应用需关注该曲线。该曲线体现了IB与IC的关系,当VCE越大那么集电区(C区)所能获得的“自由电子”电流IC比例更大;
2, 共发射极交流放大系数β(hfe): 表示三极管共射极连接且VCE恒定时,集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB之比, β= ΔIC/ΔIB;β过小电流放大作用小,β过大则漏电流大、稳定性较差;
——β与/β参数虽然含义不同,但对于放大区输出曲线较平坦部分,两者差异很小,可以相互替代使用。
3, 共基极直流放大系数: 表示三极管在共基极连接时,某工作点处直流IC与IE的比值:/α= (/β)/(1+/β) ;
1, C-B反向饱和电流ICBO:E极开路,在C极与B极加一定反向电压,对应的反向电流;
——ICBO是B-C结的反向电流(E开路),由于B区非常狭窄,所以ICBO比一般PN结的反向电流要大。
2, 穿透电流ICEO :B开路,C极与E极之间加一定反向电压,对应的反向电流;
——ICBO和ICEO的关系: ICEO =(1+/β)ICBO;ICEO是输入端(B极)开路时的漏电流,在CE两端加电压,此时B-C结反偏,B-E结正偏,处于放大状态;ICEO与ICBO的关系由理论推导出结论(参考文档最后)。ICEO为E-B-C的电流,其穿越电流越大则E-B结反向电流越大,如PN结章节所述,反向电流取决于少子浓度,随温度增加而急剧增大;所以ICEO越大说明三极管工作越不稳定,温度稳定性差,热噪声大。一般小功率三极管ICEO为几微安以下。
3. 频率参数:反映三极管电流放大能力与工作频率关系的参数,表征三极管的频率适用范围; 三极管由PN结构成,在信号跳变过车中,其必然也存在反向恢复时间和工作频率的限制;1, 共射极截止频率ƒβ:三极管放大系数β是频率的函数,理想情况下中频段β= β0与频率无关,但随着频率的升高, β值线dB)时,所对应的频率;2, 共基极截止频率ƒα:随频率升高,当α下降到1/√2(3dB)时,所对应的频率;3, 特征频率ƒT:三极管的β值下降到β=1时所对应的频率;——三极管工作在ƒβ~ƒT时, β与ƒ几乎成线性关系:ƒ越高,β越小;当工作频率ƒ> ƒT 时,三极管失去了放大能力。
4. 电压力极限参数;1, 集电极最大电流ICM:集电极允许通过的最大电流;当IC大到一定程度时,电流放大系数β值将逐渐下降,使β明显减少(1/2或2/3)的IC即为ICM;2, 反向击穿电压V(BR)CEO:指基极开路时,加在集电极与发射极之间的反向击穿电压;3, 反向击穿电压V(BR)CBO:指发射极开路时,加在集电极与基极之间的反向击穿电压;4, 反向击穿电压V(BR)EBO:指集电极开路时,加在发射极与基极之间的反向击穿电压;5, 三极管反向工作电压要 1/2(或1/3)* V(BR),避免三极管在实际应用中被损坏;6, 集电极最大允许功耗PCM: 指三极管集电结受热引起三极管参数的变化不超过规定的允许值时,集电极耗散的最大功率,PCM = IC*UCE ;当PC大于PCM时,三极管参数发生大变化,且容易被损坏。
1, 对β的影响: β随温度的升高将增大,温度每上升1℃,β值约增大0.5~1%,其结果是在相同的IB情况下,集电极电流IC随温度上升而增大;
2, 对反向饱和电流ICEO的影响:ICEO由少子漂移运动形成,与环境温度关系很大,ICEO随温度上升急剧增加(温度上升10℃,ICEO增加一倍);
3, 对发射结电压VBE的影响: 温度上升1℃,VBE将下降2~2.5mV。
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