三极管状态
两个 PN 结共用了一个 P 区(也称基区),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。
三极管的电流放大作用与其物理结构有关,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,如下图所示:
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。
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,如下图所示:
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 就对应着图中的细管、粗管和粗细交汇的管子。如下图所示:
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。
三极管的导通条件
1.截止区:
其特征是发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。对于共射电路,UBE《=UON且UCE》UBE 。此时IB=0,而iC《=ICEO。小功率硅管的ICEO+在1uA以下,锗管的ICEO小于几十微安。因此在近似计算时认为晶体管截止时的iC=0。
2.放大区:
其特征是发射结正向偏置(UBE大于发射结开启电压UON)且集电结反向偏置。对于共射电路,UBE》UON且UCE》=UBE (即UC》UB》UE)。此时的,iC几乎仅决定于IB,而与UCE无关,表现出IB 对 iC的控制作用,IC=?IB。在理想情况下,当IB按等差变化时,输出特性是一组横轴的等距离平行线。(简单的说对于NPN型管子,是C点电位》B点电位》E点电位,对PNP型管子,是E点电位》B点电位》C点电位,这是放大的条件。)
3.饱和区:
其特征是发射结和集电结均处于正向偏置。对于共射电路,UBE》UON且 UCE《UBE。此时IC不仅与IB有关,而且明显随UCE增大而增大,IC《IB。在实际电路中,如晶体管的UBE增大时,IB随之增大,但IC增大不多或基本不变,则说明晶体管进入饱和区。对于小功率管,可以认为当UCE=UBE,及UCB=0时,晶体管处于临界状态,及临界饱和和临界放大状态。
主要是根据两个pn结的偏置条件来决定:
发射结正偏,集电结反偏——放大状态;
发射结正偏,集电结也正偏——饱和状态;
发射结反偏,集电结也反偏——截止状态。
这些状态之间的转换,可以通过输入电压或者相应的输入电流来控制,例如:在放大状态时,随着输入电流的增大,当输出电流在负载电阻上的压降等于电源电压时,则电源电压就完全降落在负载电阻上,于是集电结就变成为0偏压,并进而变为正偏压——即由放大状态转变为饱和状态。当输入电压反偏时,则发射结和集电结都成为了反偏,没有电流通过,即为截止状态。
正偏与反偏的区别:对于NPN晶体管,当发射极接电源正极、基极接负极时,则发射结是正偏,反之为反偏;当集电极接电源负极、基极(或发射极)接正极时,则集电结反偏,反之为正偏。总之,当p型半导体一边接正极、n型半导体一边接负极时,则为正偏,反之为反偏。
1 三极客的饱和状态确实取决于外部偏置电阻电路,但不一定需要事先设置好。如,当集电极电阻的参数处在合适范围时,三极客是否进入饱和状态主要取决于基极的控制。开关型三极管就是这样工作的,要么截止要么饱和,取决于基极的控制。
2 三极客处于饱和状态时,两个PN结不是“都”处于正偏状态,发射结是正偏状态,要特别注意的是集电结,集电结电压虽然可以为正但决不能达到门值,所以集电结并不是正偏状态。如果集电结的正电压达到门值,则反向的集电结(极)“少子”电流将消失,取而代之的就是由基极指向集电极的“正向多子”电流,这时的三极管就完全等效成了两个二极管,这个正向多子电流纯粹就是集电结的一个正向导通电流(即二极管电流),而不再具备集电极电流的任何意义。
所以,饱和状态条件下,发射结是正偏,集电结是“零”偏并不是正偏,因此,集电极的电流仍然是以发射区过来的“少子”构成,属于少子反向导通电流。为什么说是反向,前已说明。
使三极管处于饱和导通状态,需要满足的条件是什么?
从电压上描述是:三极管发射结正向偏置,集电结零偏置或正向偏置;
Ube ≈ 0.7 V,Ubc ≥ 0 V 。
从电流上描述是:基极电流乘以放大倍数大于集电极电流:
Ib * β 》 Ic ≈ Vcc / Rc,电源电压除以集电极电阻.