硬件基础:三极管

news2025/1/12 6:15:54

之前我们学习了二极管,二极管的最大特性就是单向导通性。

现在我们又有了新的需求,那就是将信号放大,之前学习的无源器件或者二极管,都无法做到这一点。所以,为了满足放大信号的需求,三极管就顺势而生。

最早的放大器件并不是三极管,而是真空管,或者叫电子管,但是真空管体积大功耗高;

后来贝尔实验室的3名科学家就发明了晶体三级管,能够通过微小的电流来控制较大的电流。

插件式三极管

贴片式三极管

等等。。。。。。

三极管简介 

三极管全称是“晶体三极管”,也被称作“晶体管”,是一种具有放大功能的半导体器件。

三极管还有另外一个名字,叫做BJT,双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT)的缩写。

双极指的是有自由电子和空穴两种载流子参与导通,结型指的就是PN结。

更多详解参考:

三极管从入门到精通_三极管rbb_天城寺电子的博客-CSDN博客

三极管有两种类型,NPN型和PNP型。

NPN型

PNP型

要学会区分这两种类型的三极管。

首先,基极很好辨认;其次,发射极都是在箭头这一侧;然后就是箭头总是从P指向N。

箭头方向就是电流的方向。

NPN相对PNP有更好的效果,因为NPN里多子是自由电子,电子具有更好的移动性。

二者的特性是类似的,我们先以其中的NPN为例来讲解。

结构如下:

三个端分别为:发射极、基极、集电极;

三个区的特点:

P区是很薄的,上图中为了方便观看,所以画得没那么薄。发射极n+是表示浓度高。集电极可以看到面积很大。

其中,发射极和基极形成的PN结叫做发射结,集电极和基极形成的PN结叫做集电结。

三极管的放大作用

三极管的放大作用,是集电极电流对基极电流的放大作用。我们称“集电极电流/基极电流”为三极管的放大倍数β。

三极管是流控流型放大器件,后面要学的MOS管是压控流型放大器件。三极管可以将小电流放大成大电流,但是能量不会无缘无故地产生,所以必须要有电源来提供能量。

三极管是有源器件,其工作,或者说要想实现放大功能,是需要条件的。

如下图所示:


上面是个NPN型的三极管,上下各两个PN结,放大的条件之一就是,发射结正偏,集电结反偏。

原理如下:

发射结加正向电压,扩散运动形成发射极电流 le,由于发射结加正向电压,又因为发射区的杂质浓度高,自由电子很多,所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区,形成发射极电流le;

扩散到基区的自由电子与空穴复合形成基极电流lb,由于基区很薄,杂质浓度很低,所以扩散到基区的自由电子只有极少部分与空穴符合,形成微弱的基极电流Ib;

集电结加反向电压,飘移运动形成集电极电流lc,由于集电结加反向电压且结面积很大,基区的非平衡少子(主要为发射极扩散过来的,未与空穴复合的大量自由电子)在外电场的作用下越过集电结达到集电区,形成漂移电流Ic。

此时,集电极电流Ic就=β*基极电流Ib,β就是该三极管的电流放大倍数。

另外,发射极电流Ie=基极电流Ib+集电极电流Ic;

我们在实际设计电路时,不会用到三极管的放大功能的。

为什么呢?

这段话就是为了说明三极管放大的不稳定性,所以实际应用中,我们需要放大,常常会使用运算放大器(运放内部就是由三极管构成的,但已经不是日常电路设计中所需要深究的)。

但是我们学习时,还是要继续熟悉下的。

三极管的特性曲线

 我们将上面的仿真图再补充完整些:

这张图是模电书上的一张图,其实这个电路里有两部分,左边部分是输入的控制电路,右边部分是输出电路。

因此三极管对应着两个特性曲线,一个就是输入端的特性曲线,另一个就是输出端的特性曲线,接下来分别看看是怎样的。

输入特性曲线 

输入特性曲线描述了三极管压降 Uce一定的情况下,基极电流 Ib与发射结压降 Ube之间的函数关系。

Uce =0V,曲线类似于PN结的伏安特性曲线,Uce增大时,曲线将右移,因为发射结扩散至基区的自由电子部分漂移至集电极,使得Ib减小,获得同样的lb,需要增大Ube。

我们看到一个现象:当Uce固定时,Ube越大,Ib越大;但是加在三极管CE两极的电压UCE越大,那么B-E结的V-I曲线越被往右推;其主要原因是: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。

一般状况下,当UCE≥1V时,集电结就处于反向偏置,此刻再增大UCE对iB的影响很小,也即UCE>1V往后的输入特性与UCE=1V的一条特性曲线重合,所以,半导体器材手册中一般只给出一条UCE≥1V时的输入特性曲线。

三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很类似,也存在一段死区,硅管的死区电压约为0.5V,锗管的死区电压约为0.2V。导通后,硅管的UBE约为0.7V,锗管的UBE约为0.3V。

输出特性曲线

输出特性是指基极电流IB固定时,输出电流IC和输出电压UCE和之间的关系

可见,当处于放大区时,不管如何加大UCE,都无法再使得IC增大,当然,不能无限制加大UCE,否则会导致三极管被击穿。此时,要想IC变大,只能增加IB电流值,由此表现出放大特性IC=β*IB

注意,饱和区是集电结是正偏的。

有些内容比如重要参数等可参考这篇文章:

半导体器件基础07:三极管基础(2)-三极管参数 - 知乎

更好地理解三极管

三极管为什么不好理解不好学,听这个人分析是什么原因_哔哩哔哩_bilibili

三极管的常见应用电路

光电三极管

光电三极管,也叫光敏三极管,是能够将光能转换成电能的一种半导体器件,主要作用为光控和放大,一般应用于要求灵敏度高的光电控制电路中。

它和普通三极管相似,也有电流放大作用,只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制,同时也受光辐射的控制。通常基极不引出,但一些光敏三极管的基极有引出,用于温度补偿和附加控制等作用。当光敏三极管受到光辐射时,产生光电流,由此产生的光电流由基极进入发射极,从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光电特性,与光敏二极管相比,具有很大的光电流放大作用,即很高的灵敏度,使用更为广泛。

其实大概原理就是把原来在基极需要电流控制变成了光作用在基极上,然后在集电极产生电流,光越强,电流越大。

最高工作电压:是指在基区无任何光照情况下,使集电极电流为0.5uA时光电三极管C-E极间所加的电压值。

暗电流:是指在光电三极管C-E极间加最高工作电压,而基区又无任何光照条件下,所测得的集电极电流。

光电流:是指在光电三极管C-E极间加最高工作电压,基区获得10001x光强光照条件下,所测得的集电极电流。

入射光峰值波长:是指对光电三极管最敏感的光源波长。

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