晶体三极管的特性、原理及应用

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三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管、晶体三极管,是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号,也用作无触点开关。
三极管是半导体基本元器件之一,具有电流放大作用,是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,排列方式有PNP和NPN两种。

各种封装三极管

各种封装三极管

双极型晶体管 BJT (Bipolar Junction Transistor)
J型场效应管 Junction gate FET(Field Effect Transistor)
金属氧化物半导体场效应晶体管 MOS FET ( Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistor)英文全称
V型槽场效应管 VMOS (Vertical Metal Oxide Semiconductor )
注:这三者看上去都是场效应管,其实金属氧化物半导体场效应晶体管 、V型槽沟道场效应管 是 单极(Unipolar)结构的,是和 双极(Bipolar)是对应的,所以也可以统称为单极晶体管(Unipolar Junction Transistor)。
其中J型场效应管是非绝缘型场效应管,MOS FET 和VMOS都是绝缘型的场效应管。
VMOS是在 MOS的基础上改进的一种大电流,高放大倍数(跨道)新型功率晶体管,区别就是使用了V型槽,使MOS管的放大系数和工作电流大幅提升,但是同时也大幅增加了MOS的输入电容,是MOS管的一种大功率改进型产品,但是结构上已经与传统的MOS发生了巨大的差异。VMOS只有增强型的而没有MOS所特有的耗尽型的MOS管。

在二极管的介绍中,我们看到简单的二极管由两块半导体组成,形成一个简单的PN结,并且我们还了解了由一个PN结组成的晶体二极管的原理和特性。

如果我们现在将两个单独的信号二极管背对背连接在一起,这将使我们得到两个串联在一起的PN结,它们共享一个公共的PN端子。这两个二极管的融合产生了一个三层,两个结,三个端子的器件,构成了一个双极结型晶体管(简称晶体三极管)的基础。

典型晶体三极管

典型晶体三极管

晶体管是由不同半导体材料制成的三个端子有源器件,通过施加较小的信号电压,它们可以充当绝缘体或导体。晶体管在这两种状态之间切换的能力使其具有两个基本功能:“开关”(数字电子)“放大”(模拟电子)。然后,双极晶体管具有在三个不同区域内运行的能力:

  • 有源区–晶体管用作放大器,Ic =β* Ib
  • 饱和–晶体管“完全导通”作为开关工作,并且Ic = I(饱和)
  • 截止–晶体管“完全截止”作为开关工作,并且Ic = 0

晶体管一词是Transfer Varistor这两个词的结合,描述了其在电子技术发展初期的工作方式。晶体三极管构造有两种基本类型,即PNPNPN,基本上描述了制造它们的P型和N型半导体材料的物理排列。

所述双极型晶体管的基本结构包括产生具有给定的一个名称来与其他两个识别它的每个终端的存在三个连接端子两个PN结的。这三个端子是已知的,分别标记为发射极E),基极B)和集电极C)。

双极晶体管是一种电流调节装置,可控制从发射极流向集电极端子的电流,该电流与施加在其基极端子上的偏置电压成比例,因此就像一个电流控制的开关。随着小电流流入基极端子,将控制更大的集电极电流,从而形成晶体管作用的基础。

两种晶体管PNPNPN的工作原理完全相同,唯一的区别在于每种晶体管的偏置和电源极性。

晶体三极管构造

晶体三极管构造

晶体三极管构造

上面给出了PNPNPN双极晶体管的结构和电路符号,电路符号中的箭头始终表示基极端子与其发射极端子之间的“常规电流”方向。对于两种晶体管类型,箭头方向始终从正P型区域指向负N型区域,与标准二极管符号完全相同。

晶体三极管的配置

由于晶体三极管是三端设备,因此基本上有三种可能的方式将其连接到电子电路中,其中一个端子是输入和输出共用的。当晶体管的静态特性随每个电路布置而变化时,每种连接方法对电路中的输入信号的响应都不同。

  • 共基本配置–具有电压增益,但没有电流增益。
  • 共发射极配置–具有电流和电压增益。
  • 共集电极配置–具有电流增益,但无电压增益。

共基极放大电路(CB)

顾名思义,使用基极做为公共点或者基极接地配置中,基极的连接点对于输入信号和输出信号都是通用的。如图所示,输入信号施加在晶体管的基极和发射极端子之间,而相应的输出信号则取自基极和集电极端子之间。基极端子接地或可以连接到某个固定的参考电压点。

流入发射极的输入电流非常大,因为它分别是基极电流和集电极电流之和,因此,集电极电流输出小于发射极电流输入,导致这种类型的电路的电流增益为“ 1” 或更小,换句话说,共基极配置对输出电流无放大作用。

共基极放大电路典型电路图

共基极电路

1、输入信号与输出信号同相;
2、电压增益高;
3、电流增益低(≤1);
4、功率增益高;
5、适用于高频电路。
共基极放大电路的输入阻抗很小,会使输入信号严重衰减,不适合作为电压放大器。但它的频宽很大,因此通常用来做宽频或高频放大器。在某些场合,共基极放大电路也可以作为“电流缓冲器”(CurrentBuffer)使用。

同样,这种类型的电路配置具有高的输出电阻与输入电阻之比,或更重要的是,“负载”电阻(RL)与“输入”电阻(Rin)的比值达到了“电阻增益”。因此,常见基本配置的电压增益(Av)给出为:

共基极放大电路电压增益

共基极电压增益公式

其中:Ic / Ie是电流增益,alpha( α )和RL / Rin是电阻增益。

由于其非常好的高频响应,公基极放大电路通常仅用于单级放大器电路,例如麦克风前置放大器或射频( Rƒ)放大器。

共发射极放大电路(CE)

公共发射极或接地发射极电路中,输入信号施加在基极和发射极之间,而输出则从集电极和发射极之间获取,如图所示。这种类型的配置是基于晶体管的放大器最常用的电路,它代表晶体三极管连接的“常规”方法。

共发射极放大电路配置在所有三个双极晶体管配置中产生最高的电流和功率增益。这主要是因为输入阻抗连接到正向偏置的PN结时为低,而输出阻抗则取为反向偏置的PN结,因此为高。

共发射极放大电路典型电路图

共发射极放大电路

在这种类型的配置中,流出三级管的电流必须等于流入三级管的电流,因为发射极电流为Ie = Ic + Ib

由于负载电阻(RL)与集电极串联连接,共发射极放大电路的电流增益非常大,因为它是Ic / Ib之比。三级管的电流增益由希腊文Beta表示β)。

由于将常见共发射极放大电路的发射极电流定义为Ie = Ic + Ib,因此定义为希腊文符号αIc / Ie之比称为Alpha。注意:Alpha的值将始终小于1。

由于这三个电流IbIcIe之间的电流关系由三级管本身的物理结构决定,因此基极电流(Ib)的任何细微变化都会导致集电极电流(Ic)的较大变化。

然后,流过基极的电流的微小变化将控制发射极-集电极电路中的电流发生很大变换。通常,对于大多数通用晶体管,Beta的值在20到200之间。因此,如果一个晶体管的Beta值为100,那么B-E极的电流每变化1个单位,C-E极的电流变化将是100个单位。

通过组合AlphaαBetaβ的表达式,这些参数之间的数学关系以及晶体管的电流增益可以表示为:

共集电极电流增益公式

共集电极电流增益公式A

其中:“Ic”是流入集电极端子的电流,“Ib”是流入基极端子的电流,“Ie”是从发射极端子流出的电流。

然后总结一下。这种类型的三极管放大电路的输入阻抗,电流和功率增益比共基极放大电路的要大,但其电压增益要低得多。共发射极放大电路是反相放大器电路。这意味着所得的输出信号相对于输入电压信号具有180o的相移,是相对与输入信号反相。

共集电极放大电路(CC)

共集电极放大电路,输入信号是由三极管的基极与发射极两端输入的,再在交流通路里看,输出信号由三极管的发射极两端获得。因为对交流信号而言,(即交流通路里)集电极是共同端,所以称为共集电极放大电路。如图所示。这种类型的配置通常称为电压跟随器发射极跟随器电路。

共集电极放大电路对于阻抗匹配应用非常有用,因为它的输入阻抗非常高,在数百K欧姆的范围内,而输出阻抗却相对较低。

共集电极晶体管电路

共集电极电流增益

共集电极电流增益a

这种类型的三极管放大电路信号电压的输入电压输出电压的“同相”。共集电极放大电路的电压增益约为“ 1”(单位增益)。由于电压增益为1,因此可以将其视为电压缓冲器。

共集电极放大电路的负载电阻接收基极电流和集电极电流,从而获得大的电流增益(与共发射极放大电路一样),从而以很小的信号电压提供良好的电流放大。

考察了三种不同类型的三极管放大电路之后,我们现在可以总结下表中给出的流过每个支路的三极管各个直流电流与其直流电流增益之间的各种关系。

直流电流与增益之间的关系

直流电流与增益之间的关系

请注意,尽管我们在这里了解了NPN三极管的放大电路,但PNP三极管在每种放大电路中的配置都有效,所有的电路和公式都相同,唯一不同的区别是电源电压的极性和电流的方向。

三极管放大电路总结

在上述每一种的放大电路中,三极管的特性都不相同,并且在输入阻抗,输出阻抗和增益方面,无论是电压增益,电流增益还是功率增益,其产生的电路特性都不同。总结在下表中。

三极管放大电路特性表

三极管放大电路特性表

在下一个有关三级管的教程中,我们将更详细地了解在共发射极放大电路中用作放大器的NPN晶体管,由于其灵活性和高增益,这是使用最广泛的放大电路。我们还将绘制通常与放大器电路相关的输出特性曲线,和与其相关的函数参数。

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