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模拟电路—三极管

工程师
2020-11-14 18:01:10    评分

晶体三极管中有两种不同的极性电荷的载流子参与导电,故称之为双极型晶体管(BJT)。它是一种电流控制电流的半导体器件,具有电流放大作用,其主要作用是把微弱输入信号放大成幅值较大的电信号,是很多常用电子电路的核心元件。三极管的原理图符号主要有两种,如下图所示:

image.png

Q1为NPN管,Q2为PNP管,E极箭头方向代表image.png结正向偏置时电流的实际方向,它们对应的基本结构如下图所示:

image.png

由三个相邻互不相同的杂质半导体叠加起来就形成了三极管的基本结构,从三个杂质半导体区域各引出一个电极,我们分别将其称之为image.png极(Emitter)、集电极(Collector)、基极(Base),而对应的区域分别称为image.png区、集电区、基区,相邻的两个不同类型的杂质半导体将形成PN结,我们把image.png区与基区之间的PN结称之为image.png结,而把基区与集电区之间的PN结称之为集电结。

三极管的实物图

image.png

三极管在实际应用中可能有三种工作状态(即放大、截止、饱和),下面我们以NPN三极管为例详细讲解三极管放大状态的工作原理。

(1)截止区:image.png结反偏,集电结反偏。

(2)放大区:image.png结正偏,集电结反偏。

(3)饱和区:image.png结正偏,集电结正偏。

三极管工作状态话说天下大势,分久必合,合久必分,在这片由三块半导体组成的小区域内,也上演了一部猛兽争霸史,故事就发生在如下图所示的这片区域。

image.png


在没有任何处理的NPN三极管施加了两个电压之后,如下图所示的:


image.png

要使NPN管处于放大状态,施加在CE结两端的电压Vce比施加在BE结的电压Vbe要大,因此,NPN管三个极的电位大小分别是:VC>VB>VE,(image.png极电位Ve为参考电位0V),这样一来,三极管的image.png结是正向偏置,而集电结是反向偏置,这就是三极管处于放大状态的基本条件。(在电压连接的一瞬间)假设基-射(image.png结)偏置电压Vbe=5V,而集-射极偏置电压Vce=12V,两个N型半导体与P型半导体形成了两个PN结,BE结(image.png结)正向电压偏置而导通将基极电位限制在0.7V(硅管),而集电极电位由于PN结反向偏置截止而为12V(瞬间电位,此时集电极电流还没有),如下图所示:

image.png

好,一切已经就绪,一场战争马上就要开始了!结外加正向电压Vbe(正向偏置)时,由于image.png区的掺杂浓度很高(三个区中最高),而基区的掺杂浓度最低,image.png区的多数载流子电子将源源不断地穿过image.png结扩散到基区(因浓度差而引起载流子由高浓度区域向低浓度区域的转移,称为扩散),形成image.png结电子扩散电流Ien(该电流方向与电子运动方向相反)。与此同时,基区的多数载流子空穴也扩散至image.png区,形成空穴扩散电流Iep(该电流方向与Ien相同),很明显,Iep相对于Ien而言很小,然而,革命的力量是不分大小的!Ien与Iep两者相 加image.png极电流Ie,如下图所示:

image.png

image.png区扩散到基区的多数载流子电子在image.png结附近浓度最高,离image.png结越远浓度越低,从而形成了一定的电子浓度差,这种浓度差使得扩散到基区的电子继续向集电结方向扩散。在电子扩散的过程中,有一小部分电子与基区的多数载流子空穴复合,从而形成基区电流Ibn。我们知道:基区很薄且掺杂浓度低,因此,电子与空穴复合机会少,基区电流Ibn也很小,大多数电子都将被扩散到集电结,如下图所示:

image.png

由于集电结是反向偏置电压,空间电荷区的内电场被进一步加强(PN结变宽),这样反而对基区扩散到集电结边境的载流子电子有很强的吸引力(电子带负电,同性相斥异性相吸),使它们很快漂移过集电结(电场的吸引或排斥作用引起的载流子移动叫做漂移),从而形成集电极电流Icn(方向与电子漂移方向相反)。很明显,Icn=Ien-Ibn,因为百万大军一小部分在基区,剩下的大部分在集电区,如下图所示:

image.png

在多数载流子电子进入到集电区后,集电区(N型)的少数载流子空穴与基区(P型)的少数载流子电子也会产生漂移运动,形成了电流Icbo,而另有一些会跨过基区到达image.png区从而形成Iceo,如下图所示:

image.png

Icbo表示集电极-基极反向饱和电流,Iceo表示集电极-image.png极反向饱和电流(也统称为穿透电流),它们不受image.png结电压Vbe控制,也不对电流的放大做出贡献,只取决于温度和少数载流子的浓度,当然是越小越好。在相同条件下,硅管的穿透电流比锗管小,在某些大功率应用场合,还必须外接穿透电流释放电阻,防止穿透电流引起三极管过热而损坏。

 在三极管的放大状态下,只要控制外加image.png结电压Vbe,基极电流IB也会随之变化,继而控制image.png区的多数载流电子数量,最终也将控制集电极的电流IC。从三极管放大的原理上可以看出,所谓的“放大”并不是将基极电流IB放大,只不过是用较小的基极电流IB值来控制较大的集电极电流IC值,从外部电路来看就好像是IB被放大一样,这与“四两拔千斤”也是一个道理。

      如果上面的过程显得太麻烦的话,总结就三句话:

      1.image.png结加正向电压,扩散运动形成image.png极电流Ie。2.扩散基区的自由电子与空穴的复合运动系形成了基极电流Ib。3.集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流Ic。

直流放大特性

       就像铭记二极管的单向导电特性一样,只要谈起三极管就要想到“电流放大”。结论是:三极管是一个具有电流放大功能的器件,三极管b极上的小电流可以控制c极的大电流

image.png

为了让这个枯燥的概念形象些, 我们用一幅画来比喻三极管的电流放大作用。把三极管比作一个水箱, 其排水管由阀门控制,只要微调阀门就能控制排水管的流量。水箱好像三极管的c极,阀门就好像b极,而排水管相当于e极。当三极管b极获得如图所示的微小偏置电压后(+0.7V) ,就好像阀门被打开一样, 水得以从水箱向下快速流出一电流从c 极流向e极。且三极管b极偏置电压消失,就好像阀门关上了一样,c极到e极也就没有电流了。

转贴自网络



助工
2020-11-14 18:11:26    评分
2楼

干货


助工
2020-11-14 18:13:34    评分
3楼

干货


助工
2020-11-14 18:15:37    评分
4楼

感谢分享


助工
2020-11-14 22:56:35    评分
5楼

NICE!讲得不错!


助工
2020-11-14 22:59:22    评分
6楼

很形象生动!


工程师
2020-11-14 23:02:04    评分
7楼

通俗易懂,赞一个!


工程师
2020-11-14 23:06:49    评分
8楼

配这个图,以为是看漫画,但还是讲得很棒!


工程师
2020-11-14 23:12:55    评分
9楼

学习学习


工程师
2020-11-14 23:14:26    评分
10楼

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