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届别系别专业班级姓名指导老师二零一二年十月晶体管的输入输出特性曲线详解学生姓名：指导老师：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EEV ER CCV CR CI cNN PBEU CBU EI beBI+–+–(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 CBOI E= I C+I BI 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 Bα、β二者之间的关系为：α=β/β+1β=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。

最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线，实验测绘是得到特性曲线的方法之一。

特性曲线的测量电路见图1.5。

图1.51.共射极输入特性反映晶体管输入回路基极—发射极间电压u EB与基极电流i B之间的伏安特性称为共射极输入特性。

由于这一关系也受输入回路电压u CE 的影响，所以其定义为I b=f（U eb）|U CE=常数共射极输入特性常用一簇曲线来表示，称为共射极输入特性曲线。

如图1.6图1.6由曲线可知：(1)晶体管的输入特性曲线，也有死区。

硅管的死区电压大约为0.5v，锗管的死区电压大约为0.1v。

(2)在相同的u EB下u CE从0增大时，i B将减小。

这是因为u CE=0时，J E与J C均正偏，i B为两个正向偏置PN结的电流之和；当u CE增大时J C从正向偏置逐渐往反向偏执过度，有越来越多的非平衡少刘子到达集电区，使i B减小。

(3)当u CE继续增大，使J C反向偏置后，受u CE的影响减小，不同u CE值时的输入特性曲线几乎重合在一起，这时由于基区很薄在J C反向偏置时，绝大多数非平很少数载流子几乎都可以漂移到极电区，形成I C所以当继续增大u CE时，对输入特性曲线几乎不产生影响。

2共射极输出特性以i B 为参变量的i C 与u CE 关系称为共射极输出特性，其定义为 Ic=f(Uce)|i B =常数 其共射极输出特性曲线如图1.7所示。

图 1.7由图可见，晶体管的输入特性曲线将晶体管分为三个工作区，它们是： （1）饱和区 只输出特性曲线几乎垂直上升部分与纵轴之间的区域。

在此区域内，不同i B 值的输出特性曲线几乎重合，i C 不受i B 的控制，只随u CE 增大而增大。

（2）截止区 对与i B =—I CBO 的输出特性曲线与横轴之间的区域。

在此区域内，i C 几乎为零，三极管没有放大能力。

（3）放大区 指饱和区域截止区之间的区域。

在此区域内管子工U CE (V)36 912作与放大状态。

在这一区域内，i C还受u CE的影响。

当i B一定以后，随u CE增大，i C略有增加。

这是因为当Uce越大时J C反向偏置电压越大，集电结越宽，使基区变得更薄，发射区多子扩散到基区后，与基区多子复合的机会少，若要保持i B不变，就会有更多的多子从发射区扩散到基区，i C将增加，这种情况称为基区调宽效应。

三、晶体管的主要电参数晶体管除了可以用伏安特性曲线来表示管子性能外，，生产厂家还给出了各种管子型号的参数。

晶极管的主要参数1、直流参数（a）共基极直流电流放大系数α其定意为：α=I C/I E︱I CBO=0(b)共发射极直流电流放大系数β(1)，称为晶体管共射接法时的静态(直流)电流放大系数。

(2)，称为晶体管共射接法时的动态(交流)电流放大系数。

(3)与β两者的含意是不同的，但两者的数值较为接近，今后在进行估算时，可认为=β。

©集电极—基极间反向饱和电流I CBO它是指发射极开路时，流过集电极与基极的电流。

(d) 集电极—发射极间反向饱和电流I CEO它是指基极开路时，流过集电极与发射极的电流。

由于这一电流从集电极贯穿基区流至发射极，所以又被称为穿透电流。

2、交流参数（1）交流电流放大系数β（或hfe ）这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量△Ic 与基极输入电流的变化量△Ib 之比，即： β= △Ic/△Ib当I C 较小时，β随I C 增大而增大；当I C 增大到某一范围时，β几乎不变；但当I C 过大时，β随IC 继续增大而减小。

β与I C 的关系如图 1.8 中曲线所示图 1.8一般电晶体的β大约在10-200之间，如果β太小，电流放大作用差，如果β太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。

（2）共基极交流放大系数α（或hfb ）这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是△Ic 与发射极电流的变化量△Ie 之比，即： α=△Ic/△Ie因为△Ic ＜△Ie ，故α＜1。

高频三极管的α＞0.90就可以使用 α与β之间的关系： α= β/（1+β）β= α/（1-α）≈1/（1-α）（3）截止频率fβ、fα当β下降到低频时0.707倍的频率，就什发射极的截止频率fβ；当α下降到低频时的0.707倍的频率，就什基极的截止频率fαo fβ、fα是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：fβ≈（1-α）fα（4）特征频率fT因为频率f上升时，β就下降，当β下降到1时，对应的fT是全面地反映电晶体的高频放大性能的重要参数。

3、极限参数（1）集电极最大允许电流I CM当集电极电流Ic增加到某一数值，引起β值下降到额定值的2/3或1/2，这时的Ic值称为I CM。

所以当Ic 超过I CM时，虽然不致使管子损坏，但β值显著下降，影响放大品质。

（2）集电极----基极击穿电压B VCBO当发射极开路时，集电结的反向击穿电压称为B VEBO。

（3）发射极-----基极反向击穿电压B VEBO当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为B VEBO。

（4）集电极-----发射极击穿电压B VCEO当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果Vce＞BVceo，管子就会被击穿。