三極管的電流放大原理

晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和矽管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是矽NPN和PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN矽管的電流放大原理。

圖1、晶體三極管（NPN）的結構

圖一是NPN管的結構圖，它是由2塊N型半導體中間夾着一塊P型半導體所組成，從圖可見發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結,而集電區與基區形成的PN結稱為集電結,三條引線分别稱為發射極e、基極b和集電極。

當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發射結處于正偏狀态，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀态，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。

在制造三極管時，有意識地使發射區的多數載流子濃度大于基區的，同時基區做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源後，由于發射結正确，發射區的多數載流子（電子）極基區的多數載流子（控穴）很容易地截越過發射結構互相向反方各擴散，但因前者的濃度基大于後者，所以通過發射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發射極電流Ie。

由于基區很薄,加上集電結的反偏，注入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電集電流IC，隻剩下很少（1-10%）的電子在基區的空穴進行複合，被複合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補紀念給，從而形成了基極電流Ibo根據電流連續性原理得：

Ie=Ib IC

這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的IC，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關系，即：

β1=IC/Ib

式中：β--稱為直流放大倍數，

集電極電流的變化量△IC與基極電流的變化量△Ib之比為：

β= △IC/△Ib

式中β--稱為交流電流放大倍數，由于低頻時β1和β的數值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區分，β值約為幾十至一百多。

三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變為電壓放大作用。

二、三極管的特性曲線

1、輸入特性

圖2 （b)是三極管的輸入特性曲線，它表示Ib随Ube的變化關系，其特點是：1）當Uce在0-2伏範圍内，曲線位置和形狀與Uce 有關，但當Uce高于2伏後，曲線Uce基本無關通常輸入特性由兩條曲線（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。

2）當Ube＜UbeR時，Ib≈O稱（0～UbeR)的區段為“死區”當Ube＞UbeR時，Ib随Ube增加而增加，放大時，三極管工作在較直線的區段。

3）三極管輸入電阻，定義為:

rbe=(△Ube/△Ib)Q點，其估算公式為：

rbe=rb (β 1)(26毫伏/Ie毫伏）

rb為三極管的基區電阻，對低頻小功率管，rb約為300歐。

2、輸出特性

輸出特性表示IC随Uce的變化關系（以Ib為參數）從圖2（C）所示的輸出特性可見，它分為三個區域：截止區、放大區和飽和區。

截止區 當Ube＜0時，則Ib≈0，發射區沒有電子注入基區，但由于分子的熱運動，集電集仍有小量電流通過，即IC=Iceo稱為穿透電流，常溫時Iceo約為幾微安，鍺管約為幾十微安至幾百微安，它與集電極反向電流Icbo的關系是：

ICbo=(1 β)Icbo

常溫時矽管的ICbo小于1微安，鍺管的Icbo約為10微安，對于鍺管，溫度每升高12℃，Icbo數值增加一倍，而對于矽管溫度每升高8℃，Icbo數值增大一倍，雖然矽管的Icbo随溫度變化更劇烈，但由于鍺管的Icbo值本身比矽管大，所以鍺管仍然受溫度影響較嚴重的管，放大區，當晶體三極管發射結處于正偏而集電結于反偏工作時，Ic随Ib近似作線性變化，放大區是三極管工作在放大狀态的區域。

飽和區 當發射結和集電結均處于正偏狀态時，IC基本上不随Ib而變化，失去了放大功能。根據三極管發射結和集電結偏置情況，可能判别其工作狀态。

圖2、三極管的輸入特性與輸出特性

截止區和飽和區是三極管工作在開關狀态的區域，三極管和導通時，工作點落在飽和區，三極管截止時，工作點落在截止區。

三、三極管的主要參數

1、直流參數

（1）集電極一基極反向飽和電流ICbo，發射極開路（Ie=0)時，基極和集電極之間加上規定的反向電壓Vcb時的集電極反向電流，它隻與溫度有關，在一定溫度下是個常數，所以稱為集電極一基極的反向飽和電流。良好的三極管，Icbo很小，小功率鍺管的Icbo約為1～10微安，大功率鍺管的Icbo可達數毫安，而矽管的Icbo則非常小，是毫微安級。

（2）集電極一發射極反向電流ICeo(穿透電流）基極開路（Ib=0）時，集電極和發射極之間加上規定反向電壓Vce時的集電極電流。Iceo大約是Icbo的β倍即Iceo=(1 β)Icbo o Icbo和Iceo受溫度影響極大，它們是衡量管子熱穩定性的重要參數，其值越小，性能越穩定，小功率鍺管的Iceo比矽管大。

（3）發射極---基極反向電流Iebo 集電極開路時，在發射極與基極之間加上規定的反向電壓時發射極的電流，它實際上是發射結的反向飽和電流。

（4）直流電流放大系數β1（或hEF） 這是指共發射接法，沒有交流信号輸入時，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即：

β1=IC/Ib

2、交流參數

（1）交流電流放大系數β（或hfe） 這是指共發射極接法，集電極輸出電流的變化量△IC與基極輸入電流的變化量△Ib之比，即：

β= △IC/△Ib

一般晶體管的β大約在10-200之間，如果β太小，電流放大作用差，如果β太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩定。

（2）共基極交流放大系數α（或hfb） 這是指共基接法時，集電極輸出電流的變化是△IC與發射極電流的變化量△Ie之比，即：

α=△IC/△Ie

因為△IC＜△Ie，故α＜1。高頻三極管的α＞0.90就可以使用

α與β之間的關系：

α= β/（1 β）

β= α/（1-α）≈1/（1-α）

（3）截止頻率fβ、fα 當β下降到低頻時0.707倍的頻率，就是共發射極的截止頻率fβ；當α下降到低頻時的0.707倍的頻率，就是共基極的截止頻率fαo fβ、fα是表明管子頻率特性的重要參數，它們之間的關系為：

fβ≈（1-α）fα

（4）特征頻率fT因為頻率f上升時，β就下降，當β下降到1時，對應的fT是全面地反映晶體管的高頻放大性能的重要參數。

3、極限參數

（1）集電極最大允許電流ICM 當集電極電流Ic增加到某一數值，引起β值下降到額定值的2/3或1/2，這時的Ic值稱為ICM。所以當Ic超過ICM時，雖然不緻使管子損壞，但β值顯著下降，影響放大質量。

（2）集電極----基極擊穿電壓BVCBO 當發射極開路時，集電結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。

（3）發射極-----基極反向擊穿電壓BVEBO 當集電極開路時，發射結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。

（4）集電極-----發射極擊穿電壓BVCEO 當基極開路時，加在集電極和發射極之間的最大允許電壓，使用時如果Vce＞BVceo，管子就會被擊穿。

（5）集電極最大允許耗散功率PCM 集電流過IC，溫度要升高，管子因受熱而引起參數的變化不超過允許值時的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce×Ic.使用時慶使Pc＜PCM。

PCM與散熱條件有關，增加散熱片可提高PCM。

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