三极管及基本放大电路解读

第5章 三极管及基本放大电路

半导体三极管是一种最重要的半导体器件。它的放大作用和开关作用促使电子技术飞跃发展。场效应管是一种较新型的半导体器件，现在已被广泛应用于放大电路和数字电路中。本章介绍半导体三极管、绝缘栅型场效应管以及由它们组成的基本放大电路。

5.1 半导体三极管

半导体三极管简称为晶体管。它由两个PN结组成。由于内部结构的特点，使三极管表现出电流放大作用和开关作用，这就促使电子技术有了质的飞跃。本节围绕三极管的电流放大作用这个核心问题来讨论它的基本结构、工作原理、特性曲线及主要参数。

5.1.1 三极管的基本结构和类型

三极管的种类很多，按功率大小可分为大功率管和小功率管；按电路中的工作频率可分为高频管和低频管；按半导体材料不同可分为硅管和锗管；按结构不同可分为NPN管和PNP管。无论是NPN型还是PNP型都分为三个区，分别称为发射区、基区和集电区，由三个区各引出一个电极，分别称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C），发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。其结构和符号见图5-1，其中发射极箭头所示方向表示发射极电流的流向。在电路中，晶体管用字符T表示。具有电流放大作用的三极管，在内部结构上具有其特殊性，这就是：其一是发射区掺杂浓度大于集电区掺杂浓度，集电区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度；其二是基区很薄，一般只有几微米。这些结构上的特点是三极管具有电流放大作用的内在依据。

集电极C N 集电区 基极B P 基区 N 发射区 发射极E B P C T E 基极B 集电区 N 基区 P 发射区 发射极E B 集电极C C T E

（a） (b)

图5-1 两类三极管的结构示意图及符号

5-1

5.1.2 三极管的电流分配关系和放大作用

现以NPN管为例来说明晶体管各极间电流分配关系

mA 及其电流放大作用，上面介绍了三极管具有电流放大用的内部条件。为实现晶体三极管的电流放大作用还必须IB RC T μA 具有一定的外部条件，这就是要给三极管的发射结加上

VCC IE 正向电压，集电结加上反向电压。如图5-2，VBB为基极RB 电源，与基极电阻RB及三极管的基极B、发射极E组成mA VBB 基极——发射极回路（称作输入回路）,VBB使发射结正偏，VCC为集电极电源，与集电极电阻RC及三极管的集电极C、发射极E组成集电极——发射极回路（称作输图5-2 共发射极放大实验电路 出回路），VCC使集电结反偏。图中，发射极E是输入输

出回路的公共端，因此称这种接法为共发射极放大电路， 改变可变电阻RB, 测基极电流IB，集电极电流IC和发射结电流IE,，结果如表5-1。

表5-1 三极管电流测试数据

IB (μA) IC (mA) IE (mA) 0 0.005 0.005 20 0.99 10.01 40 2.08 2.12 60 3.17 3.23 80 4.26 4.34 100 5.40 5.50 从实验结果可得如下结论：

（1）IE = IB + IC 。此关系就是三极管的电流分配关系，它符合基尔霍夫电流定律。 （2）IE和IC几乎相等，但远远大于基极电流IB.，从第三列和第四列的实验数据可知IC与IB的比值分别为：

??IIC2.083.17??52， ??C??52.8

IB0.06IB0.04?ICIC4?IC33.17?2.081.09????54.5 ?IBIB4?IB30.06?0.040.02IB的微小变化会引起IC较大的变化，计算可得：

??计算结果表明，微小的基极电流变化，可以控制比之大数十倍至数百倍的集电极电流的变化，这就是三极管的电流放大作用。?、β称为电流放大系数。

通过了解三极管内部载流子的运动规律，可以解释晶体管的电流放大原理。本书从略。

5.1.3 三极管的特性曲线

三极管的特性曲线是用来表示各个电极间电压和电流之间的相互关系的，它反映出三极管的性能，是分析放大电路的重要依据。特性曲线可由实验测得，也可在晶体管图示仪上直观地显示出来。

1．输入特性曲线

晶体管的输入特性曲线表示了VCE为参考变量时，IB和VBE的关系。

5-2

IB?f(VBE)VCE?常数 （5-1）

80 IB (μA) 图5-3是三极管的输入特性曲线，由图可见，输入特VCE≥1V 60 性有以下几个特点：

40 (1) 输入特性也有一个“死区”。在“死区”内，VBE

20 虽已大于零，但IB几乎仍为零。当VBE大于某一值后，IB

0 0.2 0.4 0.6 0.8 VBE(V) 才随VBE增加而明显增大。和二极管一样，硅晶体管的死

区电压VT（或称为门槛电压）约为0.5V，发射结导通电压图5-3 三极管的输入特性曲线 VBE =（0.6~0.7）V；锗晶体管的死区电压VT约为0.2V，导

通电压约（0.2~0.3）V。若为PNP型晶体管，则发射结导通电压VBE分别为(-0.6 ~ -0.7)V和(-0.2~ -0.3)V。

（2）一般情况下，当VCE >1V以后，输入特性几乎与VCE=1V时的特性重合，因为VCE >1V后，IB无明显改变了。晶体管工作在放大状态时，VCE总是大于1V的（集电结反偏），因此常用VCE≥1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。

2.输出特性曲线

晶体管的输出特性曲线表示以IB为参考变量时，IC和VCE的关系，即: IC?f(VCE)IB?常数 （5-2）

IC (mA) 饱和区 图5-4是三极管的输出特性曲线，当IB改变时，5 80μA 可得一组曲线族，由图可见，输出特性曲线可分放大、4 放 60μA 截止和饱和三个区域。 3 大 40μA （1） 截止区 ：IB = 0的特性曲线以下区域称为2 区 20μA 截止区。在这个区域中，集电结处于反偏，VBE≤0发1 IB=0 截止区 射结反偏或零偏，即VC>VE≧VB。电流IC很小，（等

0 3 6 9 12 VCE(V) 于反向穿透电流ICEO）工作在截止区时，晶体管在电路中犹如一个断开的开关。 图5-4 三极管的输出特性曲线 （2） 饱和区 ：特性曲线靠近纵轴的区域是饱和

区。当VCEVC>VE。在饱和区IB增大，IC几乎不再增大，三极管失去放大作用。规定VCE=VBE时的状态称为临界饱和状态，用VCES表示，此时集电极临界饱和电流：

ICS?VCC?VCESVCC? （5-3） RCRCICS100μA 基极临界饱和电流： IBS?? （5-4）

当集电极电流IC>ICS时，认为管子已处于饱和状态。IC

管子深度饱和时，硅管的VCE约为0.3V，锗管约为0.1V, 由于深度饱和时VCE约等于0，晶体管在电路中犹如一个闭合的开关。

（3）放大区 ：特性曲线近似水平直线的区域为放大区。在这个区域里发射结正偏，集电结反偏，即VC>VB>VE。 其特点是IC的大小受IB的控制，△IC=β△IB，晶体管具有电流放大作用。在放大区β约等于常数，IC几乎按一定比例等距离平行变化。由于IC只受IB的控

5-3

制，几乎与VCE的大小无关。特性曲线反映出恒流源的特点，即三极管可看作受基极电流控制的受控恒流源。

例5-1 用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为Vx = +10V，Vy = 0V，Vz = +0.7V，如图5-5（a）所示, T2管各电极电位Vx = +0V，Vy = -0.3V，Vz = -5V，如图5-5（b）所示，试判断T1和T2各是何类型、何材料的管子，x、y、z各是何电极？

y x T1 y x T2 z z

(a) (b)

图5-5 例5-1

解： 工作在放大区的NPN型晶体管应满足VC>VB> VE ，PNP型晶体管应满足VC

（1） 在图（a）中，z与y的电压为0.7V，可确定为硅管，因为Vx>Vz> Vy,，所以x为集电极，y为发射极，z为基极，满足VC>VB> VE,的关系，管子为NPN型。

（2）在图（b）中，x与y的电压为0.3V，可确定为锗管，又因Vz

例5-2 图5-6所示的电路中，晶体管均为硅管,β=30，试分析各晶体管的工作状态。

+10V 1K IC +6V 5K IB -2V 5K IB +10V 1K IC +2V 5K IB +10V 1K IC (a) (b) (c)

图5-6 例5-2

解: （1）因为基极偏置电源+6V大于管子的导通电压，故管子的发射结正偏，管子导通,基极电流：

6?0.75.3??1.06mA55IC??IB?30?1.06?31.8mAIB?临界饱和电流：ICS?10?VCES10?0.7?9.3mA1

因为 IC>ICS，所以管子工作在饱和区。

（2）因为基极偏置电源-2V小于管子的导通电压，管子的发射结反偏，管子截止，所

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