【模电学习】三极管

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什么是三极管

三极管（Transistor）是一种半导体器件，用于放大和控制电流。它有三个区域，分别是发射极（Emitter），基极（Base）和集电极（Collector）。三极管有两种主要类型：NPN和PNP，这取决于三个区域的类型和电流方向。

三级管的类型

NPN类型

• 发射极（E）：带有电子，是 N 型材料。
• 基极（B）：控制电流的输入端，是 P 型材料。
• 集电极（C）：电流输出的地方，是 N 型材料。

当在基极加上正电压时，它吸引发射极的电子，这导致发射极与基极之间的电流增加。这增加的电流引起集电极与发射极之间的电流增加，从而完成电流的放大。

PNP类型

• 发射极（E）：带有空穴，是 P 型材料。
• 基极（B）：控制电流的输入端，是 N 型材料。
• 集电极（C）：电流输出的地方，是 P型材料。

当在基极加上负电压时，它吸引发射极的空穴，导致发射极与基极之间的电流增加。这引起集电极与发射极之间的电流增加，实现电流的放大。

如何分辨三级管的类型

三级管的三种状态与如何判断

三级管有三种状态，分别是截止状态，放大状态，饱和状态。

截止状态

在截止状态下，我们可以把三极管当做一个未打开的水龙头，集电极和发射极之间是不导通的，并且三极管各个电极的电流也是几乎为0的。用专业的话说就是发射极和集电极发生了反向偏执，我们可以理解为正向偏执为p到n，那么反向偏执为n到p。

放大状态

在放大状态下，我们也可以把三极管当做一个正在放水的水龙头，当给阀门加大，水流就加大。而阀门就是基极，给基极加一个较小的电流，就会引起集电极电流比例会增大。用专业的话说就是发射极发生正向偏执，而集电极发生反向偏执，三极管就进入放大转态。以NPN型为例，此时放大状态电流流向，就是C到E流！

饱和状态

在饱和状态下，我们还是可以把三极管当做一个阀门已经调到最大的水龙头，在这种情况下无论怎么拧动阀门水流都不会变大。所有无论我们给基极多大的电流，集电极的电流都不会变大。用专业的话说，当三极管发射极正偏，集电极正偏时，三极管工作在饱和状态。

1.在实际工作中，常用Ib*β=V/R作为判断临界饱和的条件。根据Ib*β=V/R算出的Ib值，只是使晶体管进入了初始饱和状态，实际上应该取该值的数倍以上，才能达到真正的饱和；倍数越大，饱和程度就越深。

2.集电极电阻 越大越容易饱和；

3.饱和区的现象就是：二个PN结均正偏，IC不受IB之控制。

三极管实验

我们可以看到一个是PNP类型，一个是NPN类型，当基极为低电平是，PNP导通。当基极为高电平时，NPN导通。

三极管特性曲线

BJT的三种连接方式

三引脚内部电流关系

共射极连接时的I-V特性曲线

BJT连接称共射极形式，输入电压为vBE，输入电流为iB，输出电压为vCE，输出电流为iC，如下图所示：

 输入特性曲线

共射极连接时的输入特性曲线描述了当输出电压vCE为某一数值（以vCE为参变量）时，输入电流iB与输入电压vBE之间的关系，用函数表示为：

                                                         iB​=f(vBE​)∣vCE​=常数​

如下图NPN型硅BJT在共射极连接且发射结正偏时的输入特性曲线。图中示出了vCE分别为0V、1V、10V三种情况下的输入特性曲线。BJT的输入特性曲线与半导体二极管的正向I-V特性曲线相似，随着vCE的增加，特性曲线向右移动。也就是当vBE不变时，随着vCE的增加，ib将减小。或者说，当iB不变时，随着vCE的增加，vBE将增大。

输出特性曲线

共射极连接时的输出特性曲线描述了当输入电流iB为某一数值（即iB不变），集电极电流iC与电压vCE的关系，函数表示：

                                                                           iC​=f(vCE​)∣iB​=常数​

BJT的主要参数

电流放大系数

BJT（Bipolar Junction Transistor）的电流放大系数通常用 β（beta）来表示。β是指集电流（Ic）与基极电流（Ib）之比。

Mathematically，β可以表示为：β=Ib/​Ic​​;

其中：

• Ic​ 是集电极电流，即从集电极流出的电流。
• Ib​ 是基极电流，即进入基极的电流。

在实际应用中，β的值通常在几十到几百之间。不同的 BJT 类型和制造商可能有不同的β值。值得注意的是，β的准确值可能会受到环境条件、温度变化和器件参数变化的影响。

在放大器电路中，β的值对于电流放大倍数非常关键。例如，如果一个 BJT 的β为100，那么当1微安的基极电流进入时，可能会导致100微安的集电极电流。

直流放大系数（DC Gain）：

直流放大系数通常表示为 βˉ，它是放大器对直流信号的增益。直流放大系数包含了所有直流（或静态）的增益特性，不考虑交流信号的影响。在考虑直流放大时，主要关注放大器对直流信号的增益，而忽略交流信号的影响。

直流放大系数可以用以下公式表示：

βˉ​=(IC​−ICEO​)/IB​

当IC >> ICEO时，近似：

βˉ​≈IC​/IB​

这个值在共射极输出特性曲线上求得。理想状态下，对给定的BJT，此值是常数。实际上，它只是在一定范围内，被近似认为是常数。

iC过小或过大时，放大系数都会变小。放大系数与iC的关系曲线：

交流放大系数（AC Gain）：

交流放大系数通常表示为β ​，它是放大器对交流信号的增益。交流放大系数考虑了放大器对交流信号的频率响应，并排除了直流偏置的影响。在考虑交流放大时，主要关注放大器对信号的变化（交流部分）的增益。

交流放大系数可以用以下公式表示：

                                      β=ΔiB/​ΔiC​​∣vCE​=常数​

显然，与共射极直流电流放大系数含义不同，一个反映静态（直流工作状态）时的电流放大特性，一个反映动态（交流工作状态）时的电流放大特性。但是BJT输出特性曲线比较平坦（恒流特性比较好），在各条曲线距离相等的条件下，这两者可以混用，即：                                                                                                                        β≈βˉ​

 极间反向电流

极间反向电流是指在一个二极管或晶体管（例如，BJT – Bipolar Junction Transistor）的极间（例如，集电极与发射极之间）发生的反向电流。

在晶体管（例如，BJT）中，极间反向电流的主要成分是由于载流子的漏出或隧穿引起的。

• 漏电流（Leakage Current）： 在反向偏置条件下，一些载流子（电子或空穴）可能穿越由绝缘材料构成的 PN 结，导致漏电流。这个漏电流通常是晶体管的反向电流的一个组成部分。
• 隧穿电流（Tunneling Current）： 在极间的薄层区域，载流子有时会以隧穿的方式穿越势垒。这也是导致极间反向电流的另一机制。
• 减小极间反向电流的方法：

1. 选择合适的器件： 选择具有较低反向电流特性的器件。
2. 温度控制： 极间反向电流通常与温度有关，因此在控制温度方面采取措施，可以降低反向电流。
3. 降低反向电压： 减小反向电压通常能够减小极间反向电流。
4. 使用保护电路： 在某些应用中，可以使用保护电路来限制极间反向电流，例如反向极间的并联二极管。

极限参数 

三极管（BJT – Bipolar Junction Transistor）的极限参数是指在特定条件下，为确保正常工作和不损坏器件，应该遵循的一些极限规范。以下是三极管的一些关键极限参数：

1. 最大集电极-发射极电压（Vceo）： 表示集电极-发射极之间的最大可承受电压，超过这个值可能会导致击穿。
2. 最大发射极-基极电压（Vbeo）： 表示发射极-基极之间的最大可承受电压，超过这个值可能会导致击穿。
3. 最大集电极功耗（Pc）： 表示三极管在正常工作条件下可耗散的最大功率，超过这个值可能会导致过热损坏。
4. 最大集电极电流（Ic）： 表示集电极的最大允许电流，超过这个值可能会导致器件损坏。
5. 最大基极电流（Ib）： 表示基极的最大允许电流，超过这个值可能会导致器件损坏。
6. 最大封装温度（Tj）： 表示三极管封装的最大允许温度，超过这个值可能会导致器件失效。
7. 最大存储温度（Tstg）： 表示三极管在存储条件下的最大允许温度。
8. 最大工作区域温度（Tc）： 表示三极管在工作条件下的最大允许温度。
9. 最大耐受反向电压（Vce）： 表示集电极-发射极之间的最大可承受反向电压。
10. 最大耐受反向电流（Icbo）： 表示在反向偏置条件下，集电极-发射极之间的最大可承受反向电流。

 温度对BJT参数及特性的影响

当温度变化时，温度对双极型晶体管（BJT）的各种参数和特性产生显著的影响，这些影响涉及电流、电压和放大系数等关键参数。以下是更加丰富的对温度影响的解释：

对 ICBO 的影响：

• ICBO（反向饱和电流）： ICBO是集电结反偏时的反向饱和电流。随着温度升高，晶体中的少子被激发更多，因此 ICBO 会显著增加。这种现象在高温环境下尤为明显，每升高10℃，ICBO大致会翻倍。

对 β 值的影响：

• β（电流放大系数）： 温度升高使得晶体内的少子扩散能力增强，这降低了少子在基区的复合速率，从而增加了电流放大系数 β。通常估算为每升高1℃，β值可能增大0.5%~1%。共基极电流放大系数 α 也随温度变化而变化。

对反向击穿电压 V(BR)CBO、V(BR)CEO 的影响：

• V(BR)CBO、V(BR)CEO（反向击穿电压）： 由于集电区与基区的掺杂浓度较低，集电结较宽，反向击穿通常为雪崩击穿。这两者的击穿电压随温度升高而上升，因为温度升高使得雪崩效应更容易发生。

对输入特性的影响：

• 温度升高时，BJT的输入特性曲线向左移动，表示在相同基极电流条件下，基极-发射极电压 vBE​ 减小。这是由于温度升高增加了少子的能量，使得 vBE​ 的降低更为显著。通常估算为每升高1℃，vBE​ 减小2~2.5mV。

对输出特性的影响：

• 温度升高会导致 ICBO、ICEO、β 等参数增加，进而影响BJT的输出特性曲线。这使得曲线整体上移，而曲线之间的距离也会增大。

这些温度效应需要在电路设计中被考虑，特别是在高温或极端温度环境中的应用中。工程师通常需要选择适当的器件、采取补偿措施或在设计中考虑温度补偿电路，以确保电路在不同温度条件下的稳定性和可靠性。