如何理解晶体管的三种基本特性

如何理解晶体管的三种基本特性

电子线路中晶体三极管是一个核心知识点，对三极管的认识程度直接影响对电路的理解和应用。而对一个初学者来说，晶体三极管的基本特性又是一个学习的难点，因为三极管的工作原理十分复杂，涉及半导体微观层面的诸多概念与因素。如何有效地理解三极管的基本工作原理，是电子线路入门的一个必须解决的问题。

替换理解是对复杂整体认识的一个有效方法。所谓替换理解，是指用我们熟知的现象去理解我们难以根本认识的内容。例如光在镜面上的反射是一个十分复杂的问题，而且我们很难从微观的角度来认识它，牛顿则将光想象成由若干弹性小球组成，并将这些弹性小球叫做“光子”，于是光的反射就可以理解为弹性小球撞击到平面后被反弹回去，从而从一个方面解释了光在镜面上的反射。虽然光子并非弹性小球，但这光的反射这个现象中，这样理解却是合理的，这就是替换理解。

一．三极管的水流模型与三端电流的关系

在三极管基本特性的理解中，我们也可以用这样的方式来理解。为了详细地说明这一问题，我们先做一个小装置：

我们先用一根直径大一点的水管，我们把它叫做主管，在它的中央横断地开一个槽，但不要锯断它，并在这个槽中嵌入一块厚度与槽宽相等的闸板，即闸板，如图1所示：

图1 带有闸板的水管（剖面）

这样一来就形成了一个阀：将闸板推进去，阀就关小，推到底后阀就关死了；将闸板拉出来阀就开大，拉得越多就开得越大，全部拉出来后阀就完全打开了。我们将这根水管的上端（入水口）叫做“集电极”，用“C”表示，而将管的下端（出水口）叫做“发射极”，用“E”表示。

下面我们再找一根直径较小的水管，我们且叫它做支管，将它弯曲后焊在主管上，

如图2所示：

图2 增加一根小管（剖面）

显然，从支管也可以注入水，这些水也会从主管的下端流出，如果我们将支管的入口叫做“基极”，用“B ”来表示，应可以得出结论：E 端流出的水是C 端和B 端注入水的总和，如果我们用“I ”来表示水流，即为：

B C E I I I +=

下面我们再做一点复杂一些装置在上面：我们在支管上做一个水车，如果支管有水流I B 流过，水车就会逆时针旋转。我们再在水车的轴上固定上一根细绳，当水车旋转时就会将细绳缠绕在轴上，同时在细绳的另一头形成拉力。如果将细绳的另一头拴在闸板上，水车的转动就会将闸板拉出来，从而将阀打开。为了保证在没有水时阀是关闭的，可以用两根弹簧将闸板压进管槽内，如图3所示。

图3 一个完整的水三极管（剖面）

这个装置便是一只“水三极管”，如果在C极和E极间保持足够的水压（即V CE足够大）它就可以表现出一些特别的特性。下面我们来看一下它是如何工作的：状态一：B端对E端无水压，即V BE=0，此时水车对闸板阀无牵引作用，弹簧将阀板完全压入，阀被完全关闭，因此I C=0，如图4所示：

图4 处于截止状态的水三极管

如果B端对E端有水压，但这个水压太小，不足以冲动水车，显然也是不能形成I C 的。显然要使水车运动起来，必须要B端的水压大到克服水车轴的磨擦力，我们将刚好

能使水车运动的B 端的水压称为死区水压（电压），记为V T ，显然当V BE

状态二：我们在上面状态的基础上继续加大V BE ，当V BE >V T 后，水车开始旋转并通过细绳拉动阀板，阀门打开，水从C 流向E ，如图5所示：

图5 处于放大状态的水三极管

显然，阀门打开的大小取决于阀板被拉出的程度，而阀板被拉出的程度是由水车的牵引力与弹簧的反拉力决定的，由力学知识可以得知，I B 越大，阀门被拉出越多，I C 就越大。此时I C 就I B 被所控制，它们之间会有一个比例关系，即：

B C I I β=

如果C-B 管的直径比较大，则阀板拉出一点，就会使阀门打开的截面增大许多，β值就会比较大，可见，三极管的β值是由它的内部结构所决定的，关于这一点，下面我们还要谈到。

在这种状态下，I C 比I B 的值要大得多——这就是直流放大能力，变化量也要大得多——这就是交流放大作用。可见，三极管并非将基极的电流I B 进行了放大，实际上I B 是被消耗掉了，但由于I B 的消耗而获得了与I B 有相同变化的电流I C ，就好象被放大了一样。

状态三：如果我们再增大V BE ，结果整个阀板都被拉出，此时C-B 管没有了任何阻碍，三极管进入了饱和状态，如图6所示：

图6 处于饱和状态的水三极管

在这种状态下，再改变的I B值（只要三极管还在饱和状态），I C也不会发生什么变化，即I B对I C就没有控制作用，也就没有了放大作用。

二．三极管的输入特性与输出特性

下面我们再通过这个模型进行更细致的分析，来看一下三极管的一些其它重要特性。

在说明三极管的输入和输出特性前，我们要将上面的水三极管进行改造，在水车轴上固定细绳的地方增加一个打滑装置，当I B足够大，大到已经将阀板完全拉出时，这个打滑装置开始起作用，水车也会继续转动，但细绳却不会再收紧了。并且水车的轮板与B管边缘结合得很好，当水车不转动时，水是不会从B口流入的。

1．三极管的输入特性曲线

三极管的输入特性指加在输出端的电压与流入输入端的电流的关系，即V BE与I B的关系。根据欧姆定律，电压与电流的关系即电阻的特性，即在不同V BE时三极管对I B的阻碍特性。

当时，V BE