Part 01
前言
对于硬件设计而言,三极管是无法绕过的一个器件,能放大信号,又能开关负载,无论是数字电路还是模拟电路,都有它的身影。但是三极管工作的工作机制你真的理解吗?
当你打开模电课本,如果去找关于三极管工作机制的解释,大概就会看到下面的内容:晶体管由PN结组成,当电流施加到基极时,电流在集电极和发射极之间流动。比如NPN晶体管,当在NPN晶体管的基极和发射极之间施加正向电压 (VBE ) 时,发射极中的电子就会流入基极,其中一些与空穴结合,从而产生极小的基极电流。由于基极结构较薄,许多从发射极流入基极的电子会逃逸到集电极。集电极-发射极电压感应电子向集电极移动,最终就产生集电极电流IC。
许多人一看这又是电子又是空穴的就会头大,以NPN三极管为例,我们可以将晶体管的功能与水龙头进行比较。三极管的基极是水龙头阀门,发射极是水龙头出水口,集电极是水龙头进水口。通过拧水龙头阀门来控制出水量。
Part 02
截止区、放大区、饱和区
截止区
当发射极和集电极结反向偏置时,三极管将处于截止状态。这相当于水龙头阀门关了,水无法流出。在这种情况下,基极,发射极,饱和极的电流几乎为0。
放大区
当发射结正向偏置、集电极结反向偏置时,三极管工作在放大区。这时晶体管就相当于一个受阀门控制的水龙头。流出多少水由阀门控制。如果阀门调大,就会流更多的水。在这种情况下,基极电流越大,集电极电流也越大。并且Ic和Ib之间存在一定的比例关系,Ic=β*Ib,其中β为直流电流放大系数。
饱和区
当发射结正向偏置、集电极结正向偏置时,三极管工作在饱和区。此时,集电极电流Ic的大小不再受基极电流Ib控制,并且Ic不再与Ib成比例。当饱和状态的Ib变大时,Ic不会增加,相当于水龙头的阀门打开得比较大,当继续拧大开关时,流出的水也不会再增加。
所以三极管集电极串联的电阻就像水管的粗细一样,已经决定了最多能流过多少水,也就是三极管的集电极的电流最大有多大,所以当β*Ib>Ic时,此时意味着阀门拧的再大,水流也不会增多了,也就是三极管已经饱和了。
所以我们在判定三极管电路是否饱和时,就是先假定电路是饱和的,然后计算集电极电流Ic,以及基极电流Ib,如果β*Ib>Ic成立,则三极管确实是工作在饱和区,如果不成立,则假定不成立,三极管工作在放大区。
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