關于三極管基本工作原理的分析

徐翔

摘 要：對三極管的基本特征、特性及三極管的基本放大原理及其工作過程進行簡明分析。

關鍵詞：三極管；NPN；放大系數β

一、三極管基本結構介紹

我們常見的三極管如圖1所示，符號如圖2所示（以NPN為例），b極為基極，c極為集電極，e極為發射極。它的基本功能是對電流的放大作用。

二、三極管的基本工作過程

1.發射結（圖3中左側的PN結）必須“正向偏置”（UBE大于啟動電壓Uon），以利于發射區電子的擴散，擴散電流即發射極電流IE，擴散電子的少數與基區空穴復合，形成基極電流IB，多數繼續向集電結邊緣擴散。

2.集電結（圖3中右側的PN結）必須“反向偏置”（VCC應足夠高），以利于收集擴散到集電結邊緣的多數擴散電子，收集到集電區的電子形成集電極電流IC。整個工作過程中：IE=IB+IC。三極管自身并不能把小電流變成大電流，它僅僅起著一種控制作用，控制著電路里的電源，按確定的比例向三極管提供IB、IC和IE這三個電流。

三、形象比喻說明放大原理

這是粗、細兩根水管，粗的管子內裝有閘門，這個閘門是由細的管子中的水量控制著它的開啟程度。如果細管子中沒有水流，粗管子中的閘門就會關閉。注入細管子中的水量越大，閘門就開得越大，相應地流過粗管子的水就越多，這就體現出“以小控制大，以弱控制強”的道理。由圖4可見，細管子的水與粗管子的水在下端匯合在一根管子中。三極管的基極b、集電極c和發射極e就對應著圖4中的細管、粗管和粗細交匯的管子。

若給三極管外加一定的電壓（如圖5所示），就會產生電流IB、IC和IE。改變基極電IB，IC也隨之變化。由于IC=βIB，所以很小的IB控制著比它大β倍的IC。IC不是由三極管產生的，是由電源UCC在IB的控制下提供的，所以說三極管起著能量轉換作用。

四、圖表分析理解放大系數

從圖6可以看到，當IB一定時，從發射區擴散到基區的電子數大致一定。當UCE超過1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區而形成集電極電流IC。之后即使UCE繼續增大，集電極電流IC也不會再有明顯的增加，具有恒流特性。

當IB增大時，相應IC也增大，輸出特性曲線上移，且IC增大的幅度比對應IB大得多。這一點正是晶體管的電流放大作用。

從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數β。取任意在兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差.讀出這兩條曲線對應的集電極電流之差ΔIC=1.3mA于是我們可得到三極管的電流放大倍數：

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5

五、共射放大電路的基本工作原理

下面以NPN晶體管的共射放大電路為例，來說明三極管對信號放大的基本過程。如圖7：

1.靜態工作點

當Ui=0時，稱放大電路處于靜態。此時的基極電流IB、集電極電流IC、b-e間電壓UBE、管壓降UCE稱為放大電路的靜態工作點Q。通常記作IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。在近似估算中常認為UBEQ為已知量，對于硅管（0.6V～0.8V），對于鍺管（0.1V～0.3V）在圖7所示電路中，令Ui=0，便可得到靜態工作點的表達式：

2.靜態工作點的作用

放大電路的放大對象是動態信號Ui，那為什么要設置靜態工作點？下面我們來對靜態工作點的作用加以說明。

假如沒有靜態工作點，即將上圖中的電源VBB撤去，則電路圖可簡化為圖8。

當輸入電壓Ui時，UAB=Ui，若Ui的峰值小于b-e間的開啟電壓Uon，則信號在整個周期內晶體管始終處于截止狀態，輸出信號Uo為零。即使Ui的幅值足夠高，晶體管也只能在信號的正半周期大于Uon的這一段時間間隔內能導通，所以輸出電壓會嚴重失真。那么信號的放大將毫無意義。所以，要設置合適的靜態工作點，以保證信號經過放大電路后不產生失真。

3.信號放大的基本過程

輸入信號如圖9.1所示。

基極電流iB是在原來的直流分量IBQ（靜態工作點）的基礎上再加上一個正弦交流電流ib，所以iB=IBQ+ib，如圖9.2所示。

根據晶體管基極電流對集電極電流的控制作用，集電極電流也會在直流分量ICQ的基礎上再加一個正弦交流電ic，且ic=βib，集電極的實際電流為：iC=ICQ+ic。集電極的交流電ic會在集電極電阻Rc上產生一個與ic波形相同的交變電壓。由于Vcc恒定，當Rc電壓增加時，UCE的電壓必然減小；反之，當Rc電壓減小時，UCE的電壓必然增加。因此，管壓降是在直流分量UCEQ的基礎上加上一個與ic變化方向相反的交變電壓Uce，所以管壓降UCE=UCEQ+UCE，如圖9.3所示。

將管壓降中的直流分量UCEQ去掉，就得到一個與輸入電壓UI相位相反且放大了的交流電壓UO，如圖9.4所示。

由上面的分析可以知道，為保證晶體管在信號輸入的整個周期內始終處于工作狀態，使信號不失真，需要設置合適的靜態工作點（將交流信號馱載在直流分量上）。基本共射極放大電路，是利用晶體管的電流放大作用，并依靠Rc將電流變化轉化為電壓變化來實現。

六、關于三極管的補充說明

單純從“放大”的角度來看，我們希望β值越大越好。可是，三極管接成共發射極放大電路時，從管子的集電極c到發射極e總會產生一些有害的漏電流，稱為穿透電流Iceo，它的大小與β值近似成正比，β值越大，Iceo就越大。Iceo這種寄生電流不受Ib控制，卻成為集電極電流Ic的一部分，Ic=βIb+Iceo。值得注意的是，Iceo跟溫度有密切的關系，溫度升高，Iceo急劇變大，破壞了放大電路工作的穩定性。（所以，選擇三極管時，并不是β越大越好，一般取硅管β為40～150，鍺管取40～80。）

測量Iceo的電路很簡單（如圖10所示），三極管的基極開路，在集電極與發射極之間接入電源VCC（6V），串聯在電路中的電流表（可用萬用表中的0.1mA擋）所指示的電流值就是Iceo。

參考文獻：

童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版）[M].高級出版社，2006-05.

？誗編輯 溫雪蓮