关于三极管基本工作原理的分析

徐翔

摘 要：对三极管的基本特征、特性及三极管的基本放大原理及其工作过程进行简明分析。

关键词：三极管；NPN；放大系数β

一、三极管基本结构介绍

我们常见的三极管如图1所示，符号如图2所示（以NPN为例），b极为基极，c极为集电极，e极为发射极。它的基本功能是对电流的放大作用。

二、三极管的基本工作过程

1.发射结（图3中左侧的PN结）必须“正向偏置”（UBE大于启动电压Uon），以利于发射区电子的扩散，扩散电流即发射极电流IE，扩散电子的少数与基区空穴复合，形成基极电流IB，多数继续向集电结边缘扩散。

2.集电结（图3中右侧的PN结）必须“反向偏置”（VCC应足够高），以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流IC。整个工作过程中：IE=IB+IC。三极管自身并不能把小电流变成大电流，它仅仅起着一种控制作用，控制着电路里的电源，按确定的比例向三极管提供IB、IC和IE这三个电流。

三、形象比喻说明放大原理

这是粗、细两根水管，粗的管子内装有闸门，这个闸门是由细的管子中的水量控制着它的开启程度。如果细管子中没有水流，粗管子中的闸门就会关闭。注入细管子中的水量越大，闸门就開得越大，相应地流过粗管子的水就越多，这就体现出“以小控制大，以弱控制强”的道理。由图4可见，细管子的水与粗管子的水在下端汇合在一根管子中。三极管的基极b、集电极c和发射极e就对应着图4中的细管、粗管和粗细交汇的管子。

若给三极管外加一定的电压（如图5所示），就会产生电流IB、IC和IE。改变基极电IB，IC也随之变化。由于IC=βIB，所以很小的IB控制着比它大β倍的IC。IC不是由三极管产生的，是由电源UCC在IB的控制下提供的，所以说三极管起着能量转换作用。

四、图表分析理解放大系数

从图6可以看到，当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致一定。当UCE超过1V以后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC。之后即使UCE继续增大，集电极电流IC也不会再有明显的增加，具有恒流特性。

当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移，且IC增大的幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。

从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数β。取任意在两条特性曲线上的平坦段，读出其基极电流之差.读出这两条曲线对应的集电极电流之差ΔIC=1.3mA于是我们可得到三极管的电流放大倍数：

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5

五、共射放大电路的基本工作原理

下面以NPN晶体管的共射放大电路为例，来说明三极管对信号放大的基本过程。如图7：

1.静态工作点

当Ui=0时，称放大电路处于静态。此时的基极电流IB、集电极电流IC、b-e间电压UBE、管压降UCE称为放大电路的静态工作点Q。通常记作IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。在近似估算中常认为UBEQ为已知量，对于硅管（0.6V～0.8V），对于锗管（0.1V～0.3V）在图7所示电路中，令Ui=0，便可得到静态工作点的表达式：

2.静态工作点的作用

放大电路的放大对象是动态信号Ui，那为什么要设置静态工作点？下面我们来对静态工作点的作用加以说明。

假如没有静态工作点，即将上图中的电源VBB撤去，则电路图可简化为图8。

当输入电压Ui时，UAB=Ui，若Ui的峰值小于b-e间的开启电压Uon，则信号在整个周期内晶体管始终处于截止状态，输出信号Uo为零。即使Ui的幅值足够高，晶体管也只能在信号的正半周期大于Uon的这一段时间间隔内能导通，所以输出电压会严重失真。那么信号的放大将毫无意义。所以，要设置合适的静态工作点，以保证信号经过放大电路后不产生失真。

3.信号放大的基本过程

输入信号如图9.1所示。

基极电流iB是在原来的直流分量IBQ（静态工作点）的基础上再加上一个正弦交流电流ib，所以iB=IBQ+ib，如图9.2所示。

根据晶体管基极电流对集电极电流的控制作用，集电极电流也会在直流分量ICQ的基础上再加一个正弦交流电ic，且ic=βib，集电极的实际电流为：iC=ICQ+ic。集电极的交流电ic会在集电极电阻Rc上产生一个与ic波形相同的交变电压。由于Vcc恒定，当Rc电压增加时，UCE的电压必然减小；反之，当Rc电压减小时，UCE的电压必然增加。因此，管压降是在直流分量UCEQ的基础上加上一个与ic变化方向相反的交变电压Uce，所以管压降UCE=UCEQ+UCE，如图9.3所示。

将管压降中的直流分量UCEQ去掉，就得到一个与输入电压UI相位相反且放大了的交流电压UO，如图9.4所示。

由上面的分析可以知道，为保证晶体管在信号输入的整个周期内始终处于工作状态，使信号不失真，需要设置合适的静态工作点（将交流信号驮载在直流分量上）。基本共射极放大电路，是利用晶体管的电流放大作用，并依靠Rc将电流变化转化为电压变化来实现。

六、关于三极管的补充说明

单纯从“放大”的角度来看，我们希望β值越大越好。可是，三极管接成共发射极放大电路时，从管子的集电极c到发射极e总会产生一些有害的漏电流，称为穿透电流Iceo，它的大小与β值近似成正比，β值越大，Iceo就越大。Iceo这种寄生电流不受Ib控制，却成为集电极电流Ic的一部分，Ic=βIb+Iceo。值得注意的是，Iceo跟温度有密切的关系，温度升高，Iceo急剧变大，破坏了放大电路工作的稳定性。（所以，选择三极管时，并不是β越大越好，一般取硅管β为40～150，锗管取40～80。）

测量Iceo的电路很简单（如图10所示），三极管的基极开路，在集电极与发射极之间接入电源VCC（6V），串联在电路中的电流表（可用万用表中的0.1mA挡）所指示的电流值就是Iceo。

参考文献：

童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].高级出版社，2006-05.

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