三极管(BJT)是一种利用输入电流控制输出电流的器件。它能够放大信号(电流放大器)并且具有较好的功率控制、高速工作以及耐久能力,所以常被用来构成放大器电路,或驱动扬声器、电动机等设备。
如我们所知,三极管本身并不具有功率/电压放大的功能,而是通过控制基极电流Ib的大小从而控制Ic所允许的最大电流:Ic=β*Ib。
举个栗子:假如三极管的放大倍数β=100,Ib=1mA,那么Ic最大可以通过100mA的电流,那么此时三极管处于放大状态。
那有个疑问是:Ic必须是100mA还是可以小一点?例如10mA。
当然,Ic电流可以是10mA,而此时的三极管处于饱和状态。
如下图所示为典型的NPN型三极管工作状态时的载流子移动示意图,我们可以看到图中的电子(黑子)和空穴(白子)的移动示意。整体来说,我们得到了这样的一个关系:IE=IC+IB,即发射极电流等于基极电流和集电极电流之和。
对于发射结(B-E结)来说,其在三极管中工作状态与正常的PN结一样,如右上图所示为发射结输入特性曲线:描述三极管压降:VCE一定的情况下,基极电流:IB与发射结压降:VBE之间的函数关系。
我们看到这样的一个奇怪现象:加在三极管CE两极的电压VCE越大,那么B-E结的V-I曲线越被往右推。
那么,是什么原因导致VCE影响了VBE曲线呢?
我们再参考下图来分析:从发射区(E区)穿越过来的“自由电子”数量取决于VBE的大小,当VBE固定而VCE增加时,更多的“自由电子”被传输到集电区(C区),而留被基区(B区)截留的“自由电子”就变少了,从而需要增加VBE电压,来补充更多“自由电子”,所以从B-E结的V-I曲线来看,它变得更难被打开。
三极管三种工作状态
在三极管工作原理章的分析中,我们其实已经分析了三极管在不同状态下的工作原理。
主要涉及:放大状态,饱和状态,截止状态和反向工作状态。
接下来,我们再简要分析下三极管的3种正常工作状态:放大、饱和和截止状态。
1. 截止状态:发射结(B-E结)反偏,集电结(B-C结)反偏。
此时VBE<0;
所以Ib ≈ 0,Ic ≈ 0;
等效为开关断开。
2. 饱和状态:发射结正偏,集电结正偏。
此时VBE>0,VCE ≤ VBE;
所以Ib > 0,但Ic ≠ β*Ib;
因此Ic随VCE的增大而急剧增加, ΔIC<β*ΔIB;
等效为开关导通。
3. 放大状态:发射结正偏,集电结反偏。
此时VBE>0,VCE>VBE;
而ΔIC = β*ΔIB,Ic受控于Ib;
当Ib保持一定时,Ic也为恒定电流;
等效为电流放大器。
(2)三极管四种工作区
三极管三种工作状态对应三个工作区:截止区,放大区,饱和区。除此之外还有一个工作区:击穿区。如下图所示。
1. 截止区:VBE≤0,VBC<0,VCE>VBC,IB=0;ICEO(穿透漏电流)≠0。
2. 放大区:IC受IB控制而变化,具有电流放大的作用;当IB一定时,IC不随VCE的变化而变化(保持恒定);VBE>0,VBC<0,VCE>VBE。
3. 饱和区:IC不随IB的增加而线性增加;VCE=VCES(饱和压降,硅:0.3V,锗:0.1V);VBE>0,VBC>0,VCE<VBE。
4. 击穿区:非工作区,是PN结不能产生压降限制电流的现象。
1, 软击穿:击穿时PN结温度上升,但还未破坏PN结结构,击穿条件去除后,全部/部分功能得到恢复。
2, 硬击穿:PN结温度太高导致结构完全被破坏, 击穿条件去除后,功能不能恢复。