很多初學者都會(hui) 認為(wei) 三極管是兩(liang) 個(ge) PN 結的簡單湊合(如圖1)。這種想法是錯誤的,兩(liang) 個(ge) 二極管的組合不能形成一個(ge) 三極管。我們(men) 以NPN 型三極管為(wei) 例(見圖2 ),兩(liang) 個(ge) PN 結共用了一個(ge) P 區——基區,基區做得極薄,隻有幾微米到幾十微米,正是靠著它把兩(liang) 個(ge) PN 結有機地結合成一個(ge) 不可分割的整體(ti) ,它們(men) 之間存在著相互聯係和相互影響,使三極管完全不同於(yu) 兩(liang) 個(ge) 單獨的PN 結的特性。三極管在外加電壓的作用下,形成基極電流、集電極電流和發射極電流,成為(wei) 電流放大器件。
二、三極管的電流放大作用與(yu) 其物理結構有關(guan) ,三極管內(nei) 部進行的物理過程是十分複雜的,初學者暫時不必去深入探討。從(cong) 應用的角度來講,可以把三極管看作是一個(ge) 電流分配器。一個(ge) 三極管製成後,它的三個(ge) 電流之間的比例關(guan) 係就大體(ti) 上確定了(見圖 3 ),用式子來表示就是
β 和 α 稱為(wei) 三極管的電流分配係數,其中 β 值大家比較熟悉,都管它叫電流放大係數。三個(ge) 電流中,有一個(ge) 電流發生變化,另外兩(liang) 個(ge) 電流也會(hui) 隨著按比例地變化。例如,基極電流的變化量 ΔI b = 10 μA , β = 50 ,根據 ΔI c = βΔI b 的關(guan) 係式,集電極電流的變化量 ΔI c = 50&TImes;10 = 500μA ,實現了電流放大。
三、三極管自身並不能把小電流變成大電流,它僅(jin) 僅(jin) 起著一種控製作用,控製著電路裏的電源,按確定的比例向三極管提供 I b 、 I c 和 I e 這三個(ge) 電流。為(wei) 了容易理解,我們(men) 還是用水流比喻電流(見圖 4 )。這是粗、細兩(liang) 根水管,粗的管子內(nei) 裝有閘門,這個(ge) 閘門是由細的管子中的水量控製著它的開啟程度。如果細管子中沒有水流,粗管子中的閘門就會(hui) 關(guan) 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(ti) 現出“以小控製大,以弱控製強”的道理。由圖可見,細管子的水與(yu) 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。電路見圖 5 ,若給三極管外加一定的電壓,就會(hui) 產(chan) 生電流 I b 、 I c 和 I e 。調節電位器 RP 改變基極電流 I b , I c 也隨之變化。由於(yu) I c = βI b ,所以很小的 I b 控製著比它大 β 倍的 I c 。 I c 不是由三極管產(chan) 生的,是由電源 V CC 在 I b 的控製下提供的,所以說三極管起著能量轉換作用。
四、如圖,假設三極管的β=100,RP=200K,此時的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic=βI b=2mA當RP=0時,Ib=6v/100k=0.06mA,Ic=βI b=2mA。以上兩(liang) 種狀態都符合Ic=βI b,我們(men) 說,三極管處於(yu) “放大區”。假設RP=0,Rb=1k,此時,Ib=6v/1k=6mA按Ic=βI b計算,Ic應等於(yu) 600mA,而實際上,由於(yu) 圖中300歐姆限流電阻(Rc)的存在,實際上Ic=(6v/300)≈20mA,此時,Ic≠βI b,而且,Ic不再受Ib控製,即處於(yu) “飽和區”,當RP和Rb大到一定程度,使Ube《死區電壓(矽管約0.5V,鍺管約0.3)此時be結處於(yu) 不導通狀態,Ib=0,則Ic=0,處於(yu) “截止區”。
五、單純從(cong) “放大”的角度來看,我們(men) 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(cong) 管子的集電極 c 到發射極 e 總會(hui) 產(chan) 生一有害的漏電流,稱為(wei) 穿透電流 I ceo ,它的大小與(yu) β 值近似成正比, β 值越大, I ceo 就越大。 I ceo 這種寄生電流不受 I b 控製,卻成為(wei) 集電極電流 I c 的一部分, I c = βI b + I ceo 。值得注意的是, I ceo 跟溫度有密切的關(guan) 係,溫度升高, I ceo 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,並不是 β 越大越好,一般取矽管 β 為(wei) 40 ~ 150 ,鍺管取 40 ~ 80 。
六、在常溫下,鍺管的穿透電流比較大,一般由幾十微安到幾百微安,矽管的穿透電流就比較小,一般隻有零點幾微安到幾微安。 I ceo 雖然不大,卻與(yu) 溫度有著密切的關(guan) 係,它們(men) 遵循著所謂的“加倍規則”,這就是溫度每升高 10℃ , I ceo 約增大一倍。例如,某鍺管在常溫 20℃ 時, I ceo 為(wei) 20μA ,在使用中管芯溫度上升到 50℃ , I ceo 就增大到 160μA 左右。測量 I ceo 的電路很簡單(圖 7 ),三極管的基極開路,在集電極與(yu) 發射極之間接入電源 V CC ( 6V ),串聯在電路中的電流表(可用萬(wan) 用表中的 0.1mA 擋)所指示的電流值就是 I ceo 。
七、嚴(yan) 格地說,三極管的 β 值不是一個(ge) 不變的常數。在實際使用中,調整三極管的集電極電流 I , β 值會(hui) 隨著發生變化(圖 )。一般說來,在 I c 很小(例如幾十微安)或很大(即接近集電極最大允電流 I CM )時, β 值都比較小,在 1mA 以上相當寬的範圍內(nei) ,小功率管的 β 值都比較大,所以,同學們(men) 在調試放大電路時,要確定合適的工作電流 I c ,以獲得最佳放大狀態。另外, β 值也和三極管的其它參數一樣,跟溫度有密切的關(guan) 係。溫度升高, β 值相應變大。一般溫度每升高 1℃ , β 值增加 0.5 %~ 1 %。
八、三極管有一個(ge) 極限參數叫集電極最大允許電流,用 I CM 表示。 I CM 常稱為(wei) 三極管的額定電流,所以人們(men) 常常誤認為(wei) 超過了 I CM 值,由於(yu) 過熱會(hui) 把管子燒壞。實際上,規定 I CM 值是為(wei) 避免集電極電流太大時引起 β 值下降過多。一般把 β 值降低到它的最大值一半左右時的集電極電流定為(wei) 集電極最大允許電流 I CM 。
九、三極管的電流放大係數 β 值還與(yu) 電路的工作頻率有關(guan) 。在一定的頻率範圍內(nei) ,可以認為(wei) β 值是不隨頻率變化的(圖 ),可是當頻率升高到超過某一數值後, β 值就會(hui) 明顯下降。為(wei) 了保證三極管在高頻時仍然具有足夠的放大能力,人們(men) 規定:當頻率升高到使 β 值下降到低頻( 1000Hz )值 β 0 的 0.707 倍時,所對應的頻率稱為(wei) β 截止頻率,用 f β 表示。 f β 就是三極管接成共發射極電路時所允許的最高工作頻率。
三極管 β 截止頻率 f β 是在三極管接成共發射極放大電路時測定的。如果三極管接成共基極電路,隨著頻率的升高,其電流放大係數 α ( α = I c / I e )值下降到低頻( 1000Hz )值 α o 的 0.707 倍時,所對應的頻率稱為(wei) α 截止頻率,用 f α 表示(圖 )。 f α 反映了三極管共基極運用時的頻率限製。在三極管產(chan) 品係列中,常根據 f α 的大小劃分低頻管和高頻管。國家規定, f α < 3MHz 的為(wei) 低頻管, f α > 3MHz 的為(wei) 高頻管。
當頻率高於(yu) f β 值後,繼續升高頻率, β 值將隨之下降,直到 β = 1 ,三極管就失去了放大能力。為(wei) 此,人們(men) 規定:在高頻條件下, β = 1 時所對應的頻率,稱為(wei) 特征頻率,用 f T 表示。 f T 常作為(wei) 標誌三極管頻率特性好壞的重要參數。在選擇三極管時,應使管子的特征頻率 f T 比實際工作頻率高出 3 ~ 5 倍。
f α 與(yu) f β 的物理意義(yi) 是相同的,僅(jin) 僅(jin) 是放大電路連接方式不同。理論分析和實驗都可以證明,同一隻三極管的 f β 值遠比 f α 值要小,它們(men) 之間的關(guan) 係為(wei)
f β =( 1 - α ) f α
這就說明了共發射極電路的極限工作頻率比共基極電路低得多。所以,高頻放大和振蕩電路大多采用共基極連接。