玩不轉三極管？看懂這一篇就夠了！

對三極管放大作用的理解，切記一點：能量不會無緣無故的產生，所以，三極管一定不會產生能量。

但三極管厲害的地方在於：它可以通過小電流去控制大電流。

放大的原理就在於：通過小的交流輸入，控制大的靜態直流。

假設三極管是個大壩，這個大壩奇怪的地方是，有兩個閥門，一個大閥門，一個小閥門。小閥門可以用人力打開，大閥門很重，人力是打不開的，只能通過小閥門的水力打開。

所以，平常的工作流程便是，每當放水的時候，人們就打開小閥門，很小的水流涓涓流出，這涓涓細流衝擊大閥門的開關，大閥門隨之打開，洶湧的江水滔滔流下。

如果不停地改變小閥門開啟的大小，那麼大閥門也相應地不停改變，假若能嚴格地按比例改變，那麼，完美的控制就完成了。

在這裡，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是輸入信號。當然，如果把水流比為電流的話，會更確切，因為三極管畢竟是一個電流控制元件。

如果某一天，天氣很旱，江水沒有了，也就是大的水流那邊是空的。管理員這時候打開了小閥門，儘管小閥門還是一如既往地衝擊大閥門，並使之開啟，但因為沒有水流的存在，所以，並沒有水流出來。這就是三極管中的截止區。

飽和區是一樣的，因為此時江水達到了很大很大的程度，管理員開的閥門大小已經沒用了。如果不開閥門江水就自己衝開了，這就是二極管的擊穿。

在模擬電路中，一般閥門是半開的，通過控制其開啟大小來決定輸出水流的大小。沒有信號的時候，水流也會流，所以，不工作的時候，也會有功耗。而在數字電路中，閥門則處於開或是關兩個狀態。當不工作的時候，閥門是完全關閉的，沒有功耗。

結構與操作原理

三極管的基本結構是兩個反向連結的pn接面，如圖1所示，可有pnp和npn

兩種組合。三個接出來的端點依序稱為射極（emitter, E）、基極（base, B）和集

極（collector, C），名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關。圖中也顯示出

npn與pnp三極管的電路符號，射極特別被標出，箭號所指的極為n型半導體，

和二極體的符號一致。在沒接外加偏壓時，兩個pn接面都會形成耗盡區，將中

性的p型區和n型區隔開。

圖1 pnp(a)與npn(b)三極管的結構示意圖與電路符號。

三極管的電特性和兩個pn接面的偏壓有關，工作區間也依偏壓方式來分類，這裡我們先討論最常用的所謂”正向活性區”(forward active)，在此區EB極間的pn節面維持在正向偏壓，而BC極間的pn接面則在反向偏壓，通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。圖2(a)為一pnp三極管在此偏壓區的示意圖。

EB接面的空乏區由於在正向偏壓會變窄，載體看到的位障變小，射極的電洞會注入到基極，基極的電子也會注入到射極；而BC接面的耗盡區則會變寬，載體看到的位障變大，故本身是不導通的。圖2(b)畫的是沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區兩種情形下，電洞和電子的電位能的分佈圖。三極管和兩個反向相接的pn二極管有什麼差別呢？其間最大的不同部分就在於三極管的兩個接面相當接近。以上述之偏壓在正向活性區之pnp三極管為例，射極的電洞注入基極的n型中性區，馬上被多數載體電子包圍遮蔽，然後朝集電極方向擴散，同時也被電子複合。當沒有被複合的電洞到達BC接面的耗盡區時，會被此區內的電場加速掃入集電極，電洞在集電極中為多數載體，很快藉由漂移電流到達

圖2 (a)一pnp三極管偏壓在正向活性區；(b)沒外加偏壓，和偏壓在正向 活性區兩種情形下

圖3 (a) pnp三極管在正向活性區時主要的電流種類；(b)電洞電位能分佈及 注入的情形；

一般三極管設計時，射極的摻雜濃度較基極的高許多，如此由射極注入基極 的射極主要載體電洞（也就是基極的少數載體）IpE? B電流會比由基極注入射極 的載體電子電流InB? E大很多，三極管的效益比較高。圖3(b)和(c)個別畫出電洞 和電子的電位能分佈及載體注入的情形。同時如果基極中性區的寬度WB愈窄， 電洞通過基極的時間愈短，被多數載體電子複合的機率愈低，到達集電極的有效電 洞流IpE? C愈大，基極必須提供的複合電子流也降低，三極管的效益也就愈高。 集電極的摻雜通常最低，如此可增大CB極的崩潰電壓，並減小BC間反向偏壓的 pn接面的反向飽和電流，這裡我們忽略這個反向飽和電流。 由圖4(a)，我們可以把各種電流的關係寫下來： 射極電流 基極電流 集電極電流

三極管截止與飽合狀態

截止狀態

三極管作為開關使用時，仍是處於下列兩種狀態下工作。 1.截止(cut off)狀態:如圖5所示，當三極管之基極不加偏壓或加上反向偏壓使BE極截止時(BE極之特性和二極管相同，須加上大於0.7V之正向偏壓時才態導通)，基極電流IB=0，因為IC=βIB，所以IC=IE=0，此時CE極之間相當於斷路，負載無電流。

圖4 （a）（b）（c）

a)基極(B)不加偏壓使

基極電流IB等於零(b)基極(B)加上反向偏

壓使基極電流IB等於零(c)此時集極(C)與射極(E)

之間形同段路，負載無

電流通過

飽合狀態

飽合(saturation)狀態:如圖6所示，當三極管之基極加入駛

大的電流時，因為IC≒IE=β×IB，射極和集極的電流亦非常大，此

時，集極與射極之間的電壓降非常低(VCE為0.4V以下)，其意義相

當於集極與射極之間完全導通，此一狀態稱為三極管飽合。

圖6 a基極加上足夠順向偏壓使IB足夠大 b此時C-E極之間視同導通狀態

晶體管的電路符號和各三個電極的名稱如下

圖7 NPN型三極管

圖8 PNP型三極管

圖7 圖8

三極管的特性曲線

1、輸入特性

圖2 （b)是三極管的輸入特性曲線，它表示Ib隨Ube的變化關係，其特點是：1）當Uce在0-2伏範圍內，曲線位置和形狀與Uce有關，但當Uce高於2伏後，曲線Uce基本無關通常輸入特性由兩條曲線（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。

2）當Ube＜UbeR時，Ib≈O稱（0～UbeR)的區段為“死區”當Ube＞UbeR時，Ib隨Ube增加而增加，放大時，三極管工作在較直線的區段。

3）三極管輸入電阻，定義為:

rbe=(△Ube/△Ib)Q點，其估算公式為：

rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏）

rb為三極管的基區電阻，對低頻小功率管，rb約為300歐。

2、輸出特性

輸出特性表示Ic隨Uce的變化關係（以Ib為參數）從圖9（C）所示的輸出特性可見，它分為三個區域：截止區、放大區和飽和區。

截止區當Ube＜0時，則Ib≈0，發射區沒有電子注入基區，但由於分子的熱運動，集電集仍有小量電流通過，即Ic=Iceo稱為穿透電流，常溫時Iceo約為幾微安，鍺管約為幾十微安至幾百微安，它與集電極反向電流Icbo的關係是：

Icbo=(1+β)Icbo

常溫時硅管的Icbo小於1微安，鍺管的Icbo約為10微安，對於鍺管，溫度每升高12℃，Icbo數值增加一倍，而對於硅管溫度每升高8℃， Icbo數值增大一倍，雖然硅管的Icbo隨溫度變化更劇烈，但由於鍺管的Icbo值本身比硅管大，所以鍺管仍然受溫度影響較嚴重的管，放大區，當晶體三極管發射結處於正偏而集電結於反偏工作時，Ic隨Ib近似作線性變化，放大區是三極管工作在放大狀態的區域。

飽和區當發射結和集電結均處於正偏狀態時，Ic基本上不隨Ib而變化，失去了放大功能。根據三極管發射結和集電結偏置情況，可能判別其工作狀態。

圖9

三極管的主要參數

1、直流參數

（1）集電極一基極反向飽和電流Icbo，發射極開路（Ie=0)時，基極和集電極之間加上規定的反向電壓Vcb時的集電極反向電流，它只與溫度有關，在一定溫度下是個常數，所以稱為集電極一基極的反向飽和電流。良好的三極管，Icbo很小，小功率鍺管的Icbo約為1～10微安，大功率鍺管的Icbo可達數毫安培，而硅管的Icbo則非常小，是毫微安級。

（2）集電極一發射極反向電流Iceo(穿透電流）基極開路（Ib=0）時，集電極和發射極之間加上規定反向電壓Vce時的集電極電流。 Iceo大約是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)Icbo o Icbo和Iceo受溫度影響極大，它們是衡量管子熱穩定性的重要參數，其值越小，性能越穩定，小功率鍺管的Iceo比硅管大。

（3）發射極---基極反向電流Iebo集電極開路時，在發射極與基極之間加上規定的反向電壓時發射極的電流，它實際上是發射結的反向飽和電流。

（4）直流電流放大係數β1（或hEF）這是指共發射接法，沒有交流信號輸入時，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即：

β1=Ic/Ib

2、交流參數

（1）交流電流放大係數β（或hfe）這是指共發射極接法，集電極輸出電流的變化量△Ic與基極輸入電流的變化量△Ib之比，即：

β= △Ic/△Ib

一般電晶體的β大約在10-200之間，如果β太小，電流放大作用差，如果β太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩定。

（2）共基極交流放大係數α（或hfb）這是指共基接法時，集電極輸出電流的變化是△Ic與發射極電流的變化量△Ie之比，即：

α=△Ic/△Ie

因為△Ic＜△Ie，故α＜1。高頻三極管的α＞0.90就可以使用

α與β之間的關係：

α= β/（1+β）

β= α/（1-α）≈1/（1-α）

（3）截止頻率fβ、fα當β下降到低頻時0.707倍的頻率，就什發射極的截止頻率fβ；當α下降到低頻時的0.707倍的頻率，就什基極的截止頻率fαo fβ、 fα是表明管子頻率特性的重要參數，它們之間的關係為：

fβ≈（1-α）fα

（4）特徵頻率fT因為頻率f上升時，β就下降，當β下降到1時，對應的fT是全面地反映電晶體的高頻放大性能的重要參數。

3、極限參數

（1）集電極最大允許電流ICM當集電極電流Ic增加到某一數值，引起β值下降到額定值的2/3或1/2，這時的Ic值稱為ICM。所以當Ic超過ICM時，雖然不致使管子損壞，但β值顯著下降，影響放大品質。

（2）集電極----基極擊穿電壓BVCBO當發射極開路時，集電結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。

（3）發射極-----基極反向擊穿電壓BVEBO當集電極開路時，發射結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。

（4）集電極-----發射極擊穿電壓BVCEO當基極開路時，加在集電極和發射極之間的最大允許電壓，使用時如果Vce＞BVceo，管子就會被擊穿。

（5）集電極最大允許耗散功率PCM集電流過Ic，溫度要升高，管子因受熱而引起參數的變化不超過允許值時的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實際的耗散功率於集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce×Ic.使用時慶使Pc＜PCM。

PCM與散熱條件有關，增加散熱片可提高PCM。

晶體三極管用途

晶體三極管的用途主要是交流信號放大，直流信號放大和電路開關。

晶體三極管偏置

使用晶體管作放大用途時，必須在它的各電極上加上適當極性的電壓，稱為“偏置電壓”簡稱“偏壓”， 又“偏置偏流”。電路組成上叫偏置電路。

晶體管各電極加上適當的偏置電壓之後，各電極上便有電流流動。 通過發射極的電流稱為“射極電流”，用IE表示；通過基極的電流稱為“基極電流”，用IB表示；通過集電極的電流稱為“集極電流”，用IC表示。

圖10

晶體管三個電極的電流有一定關係，公式如下

IE ＝ IB ＋IC

晶體三極管的三种放大電路

三極管放大電路

當晶體管被用作放大器使用時，其中兩個電極用作信號 (待放大信號) 的輸入端子；兩個電極作為信號 (放大後的信號) 的輸出端子。 那麼，晶體管三個電極中，必須有一個電極既是信號的輸入端子，又同時是信號的輸出端子，這個電極稱為輸入信號和輸出信號的公共電極。

按晶體管公共電極的不同選擇，晶體管放大電路有三種：共基極電路 ( Common base circuit)、共射極電路(Common emitter circuit) 和 共集極電路(Common collector circuit)，如下圖示。

圖11

由於共射極電路放大電路的電流增益和電壓增益均較其它兩種放大電路為大，故多用作訊號放大使用。

晶體三極管的放大作用晶體管是一個電流控制組件，其集極電流 IC可以由基極電流IB控制，只需輕微的改變基流IB就可以引起很大的集流變化IC。由於晶體管基流IB的輕微變化可以控制較大的集流IC，我們利用這一特點，用它來放大微弱的電信號，稱為晶體管的放大作用 (Amplification)，簡稱晶體管放大。簡單來說，晶體管的放大原理是把微弱的電信號 (微弱的電壓信號 Vi) 加在基極上，使基極電流按電信號變化，通過晶體管的電流控制作用，就可以在負載上得到與原信號變化一樣，但增強了的電信號 (較大的電壓信號 Vo)。

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