【模电知识总结】三极管
文章目录
- 一、三极管是什么?
- 二、发展历史
- 三、结构与原理
- 1、内部结构
- 2、工作原理
- 四、伏安特性
- 1、三极管输入特性
- 2、三极管的输出特性
- 五、答疑
- 1、把两个二极管背靠背焊接在一起,能否当三极管用?
- 2、为什么VB要大于一个电压阈值,三极管才能导通?
- 3、VBE一定时,VCE增加到一定值,为什么IC就几乎不变了?
- 4、三极管是电流控制型器件体现在哪里?
- 5、为什么硅管比锗管普遍?
- 6、NPN与PNP的区别?
- 六、应用
- 1、三极管开关
- 2、电流放大
- 参考资料
一、三极管是什么?
具有三个引脚的器件其实都可以称为三极管,本文讨论的三极管特指双极型晶体管 BJT (Bipolar Junction Transistor),它是一种具有电流放大作用的流控器件。
二、发展历史
1947年,世界上第一个晶体管于贝尔实验室诞生。发明它的3位博士——巴丁、布莱顿和肖克莱因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。
晶体管的诞生标志着电子管时代的终结,世界从此进入晶体管的时代!
三、结构与原理
1、内部结构
三极管可以想象为一对二极管的P区相连,与二极管不同的是,三极管的三个区掺杂浓度是不一样的,发射区(Emitter)掺杂浓度远高于基区(Base)和集电区(Collector),集电区的掺杂浓度最低。
故三个区的掺杂浓度大小关系为:E>>B>C。
B区很薄,为什么?为了让发射区的自由电子更容易进入集电区。
B区浓度很低,为什么?是为了形成更小的基极电流。这样才能有更多的自由电子流向集电区。
B区浓度很高的话,发射区的自由电子进入基区流走就会很容易,这样进入集电区的电子就少了。
E区的浓度高,为什么?是为了保证有足够多的自由电子进入BC区。
2、工作原理
首先给CE之间加电压,无论正接还是反接都不能导通,因为从宏观上看,三极管相当于两个背对背的二极管。
为了让CE导通,我们给BE接上电压。
在BE间电压的带动下,E区的自由电子源源不断流向B区。然而B区掺杂浓度很低且B区很薄,基区短时间内吸收不了这么多电子,只有一少部分电子与空穴复合形成基极电流,而大部分被吸引到了C区,形成集电极电流。
基极电流越大,流到基区的自由电子越多,更多的自由电子流向集电极,形成更大的集电极电流。这就是三极管小电流控制大电流的原理。
四、伏安特性
1、三极管输入特性
即VCE不变,iB与VBE之间的关系,由于BE相当于一个二极管,故三极管的输入特性与二极管的正向特性相似:当VBE<0.7V时,IB增长缓慢,当VBE>0.7V时,IB呈指数增加。
2、三极管的输出特性
即iB不变时,IC与VCE之间的关系。
当Ib为0时(或VB<0.7V),三极管截止。VCE再大,IC始终近似为0。
如下图所示,VB=5V,VCC=0V,此时相当于阀门已经打开,但水箱里没有水,此时三极管处于饱和状态。逐渐增大VCC电压(但VCE<VBE),水箱中开始有了水,此时Vce和Ic都随着VCC的增加而增加。在此期间Ic变化很大,Vce变化很小。
VCC继续增大,当VCE超过0.7V,此时Vc>Vb(对硅管而言是如此),三极管进入放大状态,此时Vce变化加剧,Ic则不怎么变化,此时Ic≈(100~200)Ib。
如果VCC进一步增大,三极管被击穿。
怎么知道三极管能承受多大电压呢?查数据手册。
五、答疑
1、把两个二极管背靠背焊接在一起,能否当三极管用?
答:不能,因为B区太厚,电子还没穿过就被复合了。
2、为什么VB要大于一个电压阈值,三极管才能导通?
答:因为BE相当于组成一个PN结,PN结在扩散和漂移作用下形成一个内建电场,该电场电势差即为阈值电压,只有高于此阈值,电子才有足够的能量跨越势垒区形成电流,有了电流,三极管也才能导通。
对于硅,阈值电压为0.6V~0.8V;
对于锗,阈值电压为0.2V~0.3V;
3、VBE一定时,VCE增加到一定值,为什么IC就几乎不变了?
答:因为在VBE的作用下,被带动的电子是一定的,VCE再大,也最多使全部的被带动电子(还要减去IB)流向C区。因此VCE大到一定程度,IC就几乎不变了。
4、三极管是电流控制型器件体现在哪里?
答:(1)只有产生了基极电流(光有电压还不行,一定得产生电流),三极管才会导通
(2)每一个IB都对应一个饱和IC。
即IB不仅控制了三极管能不能导通,还控制了导通电流上限。
5、为什么硅管比锗管普遍?
答:现在使用的三极管几乎都是硅三极管。因为锗三极管热稳定性差,漏电大(主要是其Iceo这个参数太差)故现在锗三极管已很少使用。锗管的优点就是饱和压降小。这两种管子的显著区别就是锗管的发射结、集电结压降在0.2~0.25V左右,而硅管的上述压降一般都在0.5-0.7V。
6、NPN与PNP的区别?
答:NPN:用 B→E 的电流(IB)控制 C→E 的电流(IC)。E极电位最低,且正常放大时通常C极电位最高,即 VC > VB > VE;
PNP:用 E→B 的电流(IB)控制 E→C 的电流(IC)。E极电位最高,且正常放大时通常C极电位最低,即 VC < VB < VE。
六、应用
1、三极管开关
如果只是用三极管当开关用,如下图,则让三极管处于截止和饱和状态,饱和状态Vce很小,12V电压能更多地加在风扇上。
2、电流放大
如果用于放大电流,则让三极管处于放大状态,放大倍数多少也得看数据手册。
参考资料
1、三极管是如何工作的
https://www.bilibili.com/video/BV12x41187RN?from=search&seid=1704254124699802222&spm_id_from=333.337.0.0
2、三极管是如何导电?超形象动画让你一看就懂!https://www.bilibili.com/video/BV1kv411574Y?from=search&seid=16476055373983643365&spm_id_from=333.337.0.0
3、三极管应用,控制一个LED灯的开关
https://www.bilibili.com/video/BV1ah411J7Yd?spm_id_from=333.999.0.0
4、《模拟电子学基础》
5、https://blog.csdn.net/ybhuangfugui/article/details/107373558
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