三極體的結構和工作特性,簡單易懂

2020-12-05 老安電工速學

今天，我們來認識另一種十分重要的半導體器件：三極體。

生活中，授課、集會、維持秩序等場合需要用到擴音器、音響等設備，這些設備之所以能夠放大聲音是因為它們都包含放大器，而放大器的核心部件就是三極體。

那三極體究竟是如何放大聲音信號的呢？

讓我們帶著這個問題開始學習三極體的結構。

與二極體類似，三極體也是由PN結構成的，它的內部包含兩個PN結，這兩個PN結由三片半導體構成。根據這三片半導體排列方式的不同，三極體可以分成NPN型和PNP型。

以NPN型為例，三極體的結構特點可以概括為三極、三區、兩結。從三片半導體各引出一個引腳，就是三極，中間為基極B，兩邊分別為集電極C和發射極E。與三個引腳相連的三片半導體即為「三區」，基區、集電區和發射區。

三個區結構上各有特點，基區最薄，集電區面積最大，發射區摻雜濃度最高。三個區相互結合，在交界處形成兩個PN結。基區與集電區交界處稱為集電結，基區與發射區交界處稱為發射結。

電路中，用字母VT表示三極體，圖形符號中的箭頭表示發射結導通時的電流方向。由於PN結導通時，電流從P區流向N區，因此，NPN型箭頭向外，PNP型箭頭向裡。

了解了三極體的結構，那它是怎樣放大信號的呢？

下面來看三極體的工作特性。

俗話說：人往高處走，水往低處流。電流和水流類似，從高電位流向低電位。

如果用水流類比電流，那麼三極體就類似於一個T形水管，水管的三個口相當於三極體的三個極，對應集電極和基極位置上有控制出水量大小的聯動閥門。小閥門靠水流衝擊打開，大閥門在聯動杆的帶動下動作，三個極的電流就相當於水管三個口流過的水流。

當有水流衝擊小閥門時，在聯動杆的帶動下大閥門也打開，較大水流流下，最終大小水流在下端匯聚流出。如果增大小閥門處的水流，大閥門開啟角度也增大，水管下端流出的水流也就越多。小閥門處較小的水流流入，最終在下端有較大的水流流出，這就是放大狀態。

在此過程中，要使基極電流流向發射極，發射結必須要正偏，要使集電極電流受基極電流控制，集電結需要反偏。因此，在這個條件下三個極電位應滿足VC＞VB＞VE。

當發射結反偏，或發射結電壓小於導通電壓時，這就相當於小閥門處的水流很微弱不足以推動閥門打開，自然也就沒有電流輸出，這種狀態稱為截止狀態。

三極體能放大電流，但這种放大能力也不是無限制的。當基極電流增大，集電極電流不再隨之增大時，三極體就進入了飽和狀態。

這就好比大閥門已經全部打開，此時，即使小閥門處的水流繼續增大，上水口流入的水流量也不再增大。

飽和狀態下，三極體的發射結正偏，集電結正偏，三個極電位滿足VB＞VC＞VE。

了解了三極體的三種工作狀態，這對我們實際應用有何指導意義呢？

下面我們來分析三極體輸出特性曲線圖。

當三極體截止時，IC很小，集-射極間電壓近似等於電源電壓，相當於開路，三極體可看作一個斷開的開關。

當三極體飽和時，IC很大，集-射極間電壓很小，相當於短路，三極體可看作一個閉合的開關。

放大區內，當基極電流IB為20uA輸入時，集電極電流IC輸出約為10mA，並且IB每增加20uA，IC也相應增加10mA左右，說明此區域內三極體能夠放大電流。

因此，三極體可以作為開關器件和放大器件使用。作為開關器件使用時，三極體工作在截止區、飽和區。作為放大器件使用時，三極體工作在放大區。

放大，是三極體十分常見的一種應用，如何衡量三極體的放大能力呢？

下面我們來研究三極體的電流放大作用。

首先做個實驗，在仿真軟體中，按圖連接電路，調節電位器，觀察三個極的電流。

進入仿真，調節電位器RP1，觀察電流，IB從13.101uA增加至15.321uA，IC從2.645mA增加至3.089mA。說明三極體用一個微小的基極電流變化量控制了較大的集電極電流變化量。

這就是三極體放大的實質。

利用該仿真電路，不斷調節電位器，我們可以得到一系列電流的測量值。縱向觀察一下，發現規律了嗎？

對，在放大狀態下，發射極電流等於基極電流與集電極電流之和，即IE=IB+ IC。這就是三極體電流分配關係。

由於基極電流很小，發射極電流近似等於集電極電流即IE≈ IC。

那三極體能把電流放大多少倍呢？

用輸出的集電極電流0.56mA除以輸入的基極電流0.01mA等於56，三極體可以將基極電流IB放大56倍。依次類推，得到其他組電流放大倍數。對比發現，各組數值相近。

這說明放大狀態下，三極體的放大能力是一個固定值，稱為直流放大係數，等於集電極電流與基極電流之比。

三極體不僅能放大直流電流，還能放大交流信號。集電極電流與基極電流的變化量的比值稱為交流放大係數。

在工程中，交直流放大係數近似相等。

放大係數表明了三極體的放大能力。放大係數太小，放大能力較差。放大係數太大，電路工作不穩定。因此使用中需要合理選擇，一般我們選擇放大係數在30-100這個範圍內。

現在我們就可以回答聲音是如何被放大的這個問題了！

音響設備中的功率放大器就是利用兩個參數完全相同的NPN和PNP型對管，構成互補對稱電路。經過不斷的電流放大，實現功率放大，從而推動揚聲器發出聲響。

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