晶体管的输入输出特性曲线详解.

晶体管的输入输出特性曲线详解

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二零一二年十月

晶体管的输入输出特性曲线详解

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摘要：晶体三极管，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。

根据晶体管的结构进行分类，晶体管可以分为：NPN型晶体管和PNP 型晶体管。依据晶体管两个PN结的偏置情况，晶体管的工作状态有放大、饱和、截止和倒置四种。晶体管的性能可以有三个电极之间的电压和电流关系来反映，通常称为伏安特性。

生产厂家还给出了各种管子型号的参数也能表示晶体管的性能。利用晶体管制成的放大电路的可以是把微弱的信号放大到负载所需的数值

晶体管是一种半导体器件，放大器或电控开关常用。晶体管是规范操作电脑，手机，和所有其他现代电子电路的基本构建块。由于其响应速度快，准确性，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域，可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。

关键字：晶体管、输入输出曲线、放大电路的静态分析和动态分析。

【Keywords】The transistor, the input/output curve, amplifying circuit static analysis and dynamic analysis.

一、晶体管的基本结构

晶体三极管，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结把正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，如图

1-1(a)、(b)所示。从三个区引出相应的电极，发射极，基极，集电极，各用“E”（或“e”）、“B”(或“b”)、“C”(或“c”)表示。

发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里;NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。当前国内生产的锗管多为PNP型(3A 系列)，硅管多为NPN型(3D系列)。

图1-1 晶体管的结构和图形符号

二、晶体管的工作原理

晶体管在电路中工作时，根据两个PN 结的偏置情况不同，可以由四种工作状态：放大状态、饱和状态、截止状态、倒置状态。

(1)发射结正向偏置、集电结反向偏置—放大状态

（a ）原理图

EE

V E

R CC

V C

R C

I c

N

N P

BE

U CB

U E

I b

e

B

I

+

–

+

–

(b)电路图

图 1.2(a),(b)分别是硅晶体管的发射结正向偏置、集电结反向偏置的原理图和电路图。由于发射区和基区不是同类的参杂半导体，所以扩散到基区的多子在基区属于少子。称为非平衡少数载流子。集电结反向偏置有利于少子漂移，因此大部分非平衡少数载流子在经集电结漂移到集电区。另外，集电结反向偏置也有利于基区和集电区中自身的少数载流子互相漂移，形成反向饱和电流I CBO,其值较小，而且与集电结反向偏置电压达大小无关。通常令I CBO=0时的集电极电流I C 与发射极电流I E之比为

即

α=I C/I E |ICBO=O

当考虑到ICBO后，各电极之间的关系如下：

I C=αI E+I CBO

I E= I C+I B

I B=(1-α)I E-I CBO

当考虑反向饱和电流时，各电流之间的关系如下

I E=I C+I B

集电极电流I C与基极电流I B之比为共射极直流电流放大系数，记作β，即：

β=I C /I B

α、β二者之间的关系为：

α=β/β+1

β=α/α-1

从以上分析可知，从发射区发射到基区的电子中，只有很小部分与基区的电子复合而形成基极电流I B，绝大部分能通过基区并被集电区收集而形成集电极电流I C.因此，集电极电流I C就会比基极电流I B大得多，这就是晶体管的电流放大作用。如前所述，晶体管的基区之所以做得很薄，并且掺杂浓度远低于发射区，就是为了使集电极电流比基极电流大得多，从而实现晶体管的电流放大作用。

晶体管的电流放大作用实质上是电流控制作用，是用一个较小的基极电流去控制一个较大的集电极电流，这个较大的集电极电流是由直流电源E C提供的，并不是晶体管本身把一个小的电流放大成了一个大的电流，这一点须用能量守恒的观点去分析。所以晶体管是一种电流控制元件。

（4）发射结反向偏置、集电结正向偏置—倒置状态

图1.4

图 1.4是硅晶体管的发射结反向偏置、集电结正向偏置的电路图。与放大状态相比，发射结与集电结的偏执状态被对换，这时管子的工作状态称为倒置状态。由于集电区的掺杂浓度远低于发射区的掺杂浓度，集电结正向偏置后，由集电区扩散到基区的多子较少，另外，发射结的结面积小于集电结，其收集基区的非平衡少数载流子的能力较差，所以管子工作于倒置状态时，其电流放大系数比放大状态时的小得多。

二、晶体管共射极接法的伏安特性曲线

晶体管的性能可以有三个电极之间的电压和电流关系来反映，通常称为伏安特性。晶体管虽然只有三个电极，但是在使用时总是有一个电极作为输入和输出回路的公共端，一个端口网络有四个变量，可有多种曲线表示他们之间的关系，我们常用两组曲线族来表示晶体管的特性。其中最常用的晶体管伏安特性是共射极伏安特性。共射极伏安特性包括输入特性和输出特性。