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模電重中之重——三極體的應用


2018年5月30日18時 今日科學 Ameya360
Ameya360

三極體是最重要的電子元器件之一,成功製作世界上第一隻半導體三極體的美國物理學家約翰·巴丁(John Bardeen)和他的同事布拉頓(Brattain)並獲得了諾貝爾物理學獎。三極體的看家本領,是可以以小電流控制大電流,頗似武俠中的四兩撥千斤。

下圖是2種類型的三極體NPN和PNP的結構和電路圖符號示意。

positive 正極 <ˈpɒzətɪv>

negative 負極 <ˈnegətɪv>

很多初學者都會認為三極體是兩個 PN 結的簡單湊合。這種想法是錯誤的,兩個二極體的組合不能形成一個三極體。我們以 NPN 型三極體為例(見圖 2 ),兩個 PN 結共用了一個 P 區 —— 基區,基區做得極薄,只有幾微米到幾十微米,正是靠著它把兩個 PN

結有機地結合成一個不可分割的整體,它們之間存在著相互聯繫和相互影響,使三極體完全不同於兩個單獨的 PN 結的特性。三極體在外加電壓的作用下,形成基極電流、集電極電流和發射極電流,成為電流放大器件。

三極體的電流放大作用與其物理結構有關,三極體內部進行的物理過程是十分複雜的,初學者暫時不必去深入探討。從應用的角度來講,可以把三極體看作是一個電流分配器。一個三極體製成後,它的三個電流之間的比例關係就大體上確定了(見圖 3 ),用式子來表示就是

β 和 α 稱為三極體的電流分配係數,其中 β 值大家比較熟悉,都管它叫電流放大係數。三個電流中,有一個電流發生變化,另外兩個電流也會隨著按比例地變化。例如,基極電流的變化量 ΔI b = 10 μA , β = 50 ,根據 ΔI c = βΔI b 的關係式,集電極電流的變化量 ΔI c = 50×10 = 500μA

,實現了電流放大。

三極體自身並不能把小電流變成大電流,它僅僅起著一種控制作用,控制著電路里的電源,按確定的比例向三極體提供 I b 、 I c 和 I e 這三個電流。為了容易理解,我們還是用水流比喻電流(見圖 4

)。這是粗、細兩根水管,粗的管子內裝有閘門,這個閘門是由細的管子中的水量控制著它的開啟程度。如果細管子中沒有水流,粗管子中的閘門就會關閉。注入細管子中的水量越大,閘門就開得越大,相應地流過粗管子的水就越多,這就體現出「以小控制大,以弱控制強」的道理。由圖可見,細管子的水與粗管子的水在下端匯合在一根管子中。三極體的基極 b 、集電極 c 和發射極 e 就對應著圖 4

中的細管、粗管和粗細交匯的管子。電路見圖 5 ,若給三極體外加一定的電壓,就會產生電流 I b 、 I c 和 I e 。調節電位器 RP 改變基極電流 I b , I c 也隨之變化。由於 I c = βI b ,所以很小的 I b 控制著比它大 β 倍的 I c 。
I c 不是由三極體產生的,是由電源 VCC 在 I b 的控制下提供的,所以說三極體起著能量轉換作用。

如圖,假設三極體的β=100,RP=200K,此時的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic=βI b=2mA當RP=0時,Ib=6v/100k=0.06mA,Ic=βI b=2mA。以上兩種狀態都符合Ic=βI b,我們說,三極體處於"放大區"。假設RP=0,Rb=1k,此時,Ib=6v/1k=6mA按Ic=βI

b計算,Ic應等於600mA,而實際上,由於圖中300歐姆限流電阻(Rc)的存在,實際上Ic=(6v/300)≈20mA,此時,Ic≠βI b,而且,Ic不再受Ib控制,即處於"飽和區",當RP和Rb大到一定程度,使Ube<死區電壓(矽管約0.5V,鍺管約0.3)此時be結處於不導通狀態,Ib=0,則Ic=0,處於"截止區"。

單純從「放大」的角度來看,我們希望 β 值越大越好。可是,三極體接成共發射極放大電路(圖 6 )時,從管子的集電極 c 到發射極 e 總會產生一有害的漏電流,稱為穿透電流 I ceo ,它的大小與 β 值近似成正比, β 值越大, I ceo 就越大。
I ceo 這種寄生電流不受 I b 控制,卻成為集電極電流 I c 的一部分, I

c = βI b + I ceo 。值得注意的是, I ceo 跟溫度有密切的關係,溫度升高, I ceo 急劇變大,破壞了放大電路工作的穩定性。所以,選擇三極體時,並不是 β 越大越好,一般建議取矽管 β 為 40 ~150 ,鍺管取 40 ~ 80 。

在常溫下,鍺管的穿透電流比較大,一般由幾十微安到幾百微安,矽管的穿透電流就比較小,一般只有零點幾微安到幾微安。
I ceo 雖然不大,卻與溫度有著密切的關係,它們遵循著所謂的「加倍規則」,這就是溫度每升高 10℃ , I ceo 約增大一倍。例如,某鍺管在常溫 20℃ 時, I ceo 為 20μA ,在使用中管芯溫度上升到 50℃ ,

I ceo 就增大到 160μA 左右。測量 I ceo 的電路很簡單(圖 7 ),三極體的基極開路,在集電極與發射極之間接入電源 V CC ( 6V ),串聯在電路中的電流表(可用萬用表中的 0.1mA 擋)所指示的電流值就是 I ceo 。

嚴格地說,三極體的 β 值不是一個不變的常數。在實際使用中,調整三極體的集電極電流 I , β 值會隨著發生變化(圖 8 )。一般說來,在 I c 很小(例如幾十微安)或很大(即接近集電極最大允電流 I CM )時, β 值都比較小,在 1mA 以上相當寬的範圍內,小功率管的 β

值都比較大,所以,同學們在調試放大電路時,要確定合適的工作電流 I c ,以獲得最佳放大狀態。另外, β 值也和三極體的其它參數一樣,跟溫度有密切的關係。溫度升高, β 值相應變大。一般溫度每升高 1℃ , β 值增加 0.5 %~ 1 %。

器件為BC847

溫度為-20℃時,Ic等於3.745mA, 溫度為50℃時,Ic等於5.897mA。

從-20℃變到50℃

ß變化=(5.897mA-3.745mA)/3.745mA=57.46%。

ß呈線性變化

變化率=57.46%/70℃=0.821%/℃。

換用40239時,ß變化為67.24%。

溫度為-20℃時,IB等於9.27uA,溫度為50℃時

IB等於10.4uA。

從-20℃變到50℃

IB變化=(10.4uA-9.27uA)/9.27uA=12.19%。

IB呈線性變化

IB變化率=12.19%/70℃=0.174%/℃。

三極體有一個極限參數叫集電極最大允許電流,用 I CM 表示。
I CM 常稱為三極體的額定電流,所以人們常常誤認為超過了 I CM 值,由於過熱會把管子燒壞。實際上,規定 I CM 值是為避免集電極電流太大時引起 β 值下降過多。一般把 β 值降低到它的最大值一半左右時的集電極電流定為集電極最大允許電流 I CM 。

三極體的電流放大係數 β 值還與電路的工作頻率有關。在一定的頻率範圍內,可以認為 β 值是不隨頻率變化的(圖 9 ),可是當頻率升高到超過某一數值後, β 值就會明顯下降。為了保證三極體在高頻時仍然具有足夠的放大能力,人們規定:當頻率升高到使 β 值下降到低頻( 1000Hz )值 β 0 的 0.707 倍時,所對應的頻率稱為 β

截止頻率,用 f β 表示。
f β 就是三極體接成共發射極電路時所允許的最高工作頻率。

三極體 β 截止頻率 f β 是在三極體接成共發射極放大電路時測定的。如果三極體接成共基極電路,隨著頻率的升高,其電流放大係數 α ( α = I c / I e )值下降到低頻( 1000Hz )值 α o 的 0.707 倍時,所對應的頻率稱為 α 截止頻率,用 f α 表示(圖 10 )。
f α

反映了三極體共基極運用時的頻率限制。在三極體產品系列中,常根據 f α 的大小劃分低頻管和高頻管。國家規定, f α < 3MHz 的為低頻管, f α > 3MHz 的為高頻管。

當頻率高於 f β 值後,繼續升高頻率, β 值將隨之下降,直到 β = 1 ,三極體就失去了放大能力。為此,人們規定:在高頻條件下, β = 1 時所對應的頻率,稱為特徵頻率,用 f T 表示。
f T 常作為標誌三極體頻率特性好壞的重要參數。在選擇三極體時,應使管子的特徵頻率 f T 比實際工作頻率高出 3 ~ 5 倍。

f α 與 f β 的物理意義是相同的,僅僅是放大電路連接方式不同。理論分析和實驗都可以證明,同一隻三極體的 f β 值遠比 f α 值要小,它們之間的關係為f β =( 1 - α ) f α

這就說明了共發射極電路的極限工作頻率比共基極電路低得多。所以,高頻放大和振蕩電路大多採用共基極連接。

先講二極體

要想很自然地說明問題,就要選擇恰當地切入點。講三極體的原理我們從二極體的原理入手講起。二極體的結構與原理都很簡單,內部一個PN結具有單嚮導電性,如示意圖B。很明顯圖示二極體處於反偏狀態,PN結截止。我們要特別注意這裡的截止狀態,實際上PN結截止時,總是會有很小的漏電流存在,也就是說PN結總是存在著反向關不斷的現象,PN結的單嚮導電性並不是百分之百。

為什麼會出現這種現象呢?這主要是因為P區除了因「摻雜」而產生的多數載流子「空穴」之外,還總是會有極少數的本徵載流子「電子」出現。N區也是一樣,除了多數載流子電子之外,也會有極少數的載流子空穴存在。PN結反偏時,能夠正嚮導電的多數載流子被拉向電源,使PN結變厚,多數載流子不能再通過PN結承擔起載流導電的功能。所以,此時漏電流的形成主要靠的是少數載流子,是少數載流子在起導電作用。反偏時,少數載流子在電源的作用下能夠很容易地反向穿過PN結形成漏電流。漏電流只所以很小,是因為少數載流子的數量太少。很明顯,此時漏電流的大小主要取決於少數載流子的數量。如果要想人為地增加漏電流,只要想辦法增加反偏時少數載流子的數量即可。所以,如圖B,如果能夠在P區或N區人為地增加少數載流子的數量,很自然的漏電流就會人為地增加。其實,光敏二極體的原理就是如此。光敏二極體與普通光敏二極體一樣,它的PN結具有單嚮導電性。因此,光敏二極體工作時應加上反向電壓,如圖所示。當無光照時,電路中也有很小的反向飽和漏電流,一般為1×10-8

—1×10

-9A(稱為暗電流),此時相當於光敏二極體截止;當有光照射時,PN結附近受光子的轟擊,半導體內被束縛的價電子吸收光子能量而被擊發產生電子—空穴對,這些載流子的數目,對於多數載流子影響不大,但對P區和N區的少數載流子來說,則會使少數載流子的濃度大大提高,在反向電壓作用下,反向飽和漏電流大大增加,形成光電流,該光電流隨入射光強度的變化而相應變化。光電流通過負載RL時,在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號。光敏二極體就是這樣完成電功能轉換的。

光敏二極體工作在反偏狀態,因為光照可以增加少數載流子的數量,因而光照就會導致反向漏電流的改變,人們就是利用這樣的道理製作出了光敏二極體。既然此時漏電流的增加是人為的,那麼漏電流的增加部分也就很容易能夠實現人為地控制。強調一個結論:

講到這裡,一定要重點地說明PN結正、反偏時,多數載流子和少數載流子所充當的角色及其性質。正偏時是多數載流子載流導電,反偏時是少數載流子載流導電。所以,正偏電流大,反偏電流小,PN結顯示出單向電性。特別是要重點說明,反偏時少數載流子反向通過PN結是很容易的,甚至比正偏時多數載流子正向通過PN結還要容易。為什麼呢?大家知道PN結內部存在有一個因多數載流子相互擴散而產生的內電場,而內電場的作用方向總是阻礙多數載流子的正向通過,所以,多數載流子正向通過PN結時就需要克服內電場的作用,需要約0.7伏的外加電壓,這是PN結正嚮導通的門電壓。而反偏時,內電場在電源作用下會被加強也就是PN結加厚,少數載流子反向通過PN結時,內電場作用方向和少數載流子通過PN結的方向一致,也就是說此時的內電場對於少數載流子的反向通過不僅不會有阻礙作用,甚至還會有幫助作用。這就導致了以上我們所說的結論:反偏時少數載流子反向通過PN結是很容易的,甚至比正偏時多數載流子正向通過PN結還要容易。這個結論可以很好解釋前面提到的「問題2」,也就是教材後續內容要講到的三極體的飽和狀態。三極體在飽和狀態下,集電極電位很低甚至會接近或稍低於基極電位,集電結處於零偏置,但仍然會有較大的集電結的反向電流Ic產生。自然過渡:

繼續討論圖B,PN結的反偏狀態。利用光照控制少數載流子的產生數量就可以實現人為地控制漏電流的大小。既然如此,人們自然也會想到能否把控制的方法改變一下,不用光照而是用電注入的方法來增加N區或者是P區少數載流子的數量,從而實現對PN結的漏電流的控制。也就是不用「光」的方法,而是用「電」的方法來實現對電流的控制(注2)。接下來重點討論P區,P區的少數載流子是電子,要想用電注入的方法向P區注入電子,最好的方法就是如圖C所示,在P區下面再用特殊工藝加一塊N型半導體(注3)。

圖C所示其實就是NPN型晶體三極體的雛形,其相應各部分的名稱以及功能與三極體完全相同。為方便討論,以下我們對圖C中所示的各個部分的名稱直接採用與三極體相應的名稱(如「發射結」,「集電極」等)。再看示意圖C,圖中最下面的發射區N型半導體內電子作為多數載流子大量存在,而且,如圖C中所示,要將發射區的電子注入或者說是發射到P區(基區)是很容易的,只要使發射結正偏即可。具體說就是在基極與發射極之間加上一個足夠的正向的門電壓(約為0.7伏)就可以了。在外加門電壓作用下,發射區的電子就會很容易地被發射注入到基區,這樣就實現對基區少數載流子「電子」在數量上的改變。集電極電流Ic的形成:

如圖C,發射結加上正偏電壓導通後,在外加電壓的作用下,發射區的多數載流子——電子就會很容易地被大量發射進入基區。這些載流子一旦進入基區,它們在基區(P區)的性質仍然屬於少數載流子的性質。如前所述,少數載流子很容易反向穿過處於反偏狀態的PN結,所以,這些載流子——電子就會很容易向上穿過處於反偏狀態的集電結到達集電區形成集電極電流Ic。由此可見,集電極電流的形成並不是一定要靠集電極的高電位。集電極電流的大小更主要的要取決於發射區載流子對基區的發射與注入,取決於這種發射與注入的程度。這種載流子的發射注入程度及乎與集電極電位的高低沒有什麼關係。這正好能自然地說明,為什麼三極體在放大狀態下,集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無關的原因。放大狀態下Ic並不受控於Vc,Vc的作用主要是維持集電結的反偏狀態,以此來滿足三極體放大態下所需要外部電路條件。

對於Ic還可以做如下結論:Ic的本質是「少子」電流,是通過電子注入而實現的人為可控的集電結「漏」電流,因此它就可以很容易地反向通過集電結。Ic與Ib的關係:

很明顯,對於三極體的內部電路來說,圖C與圖D是完全等效的。圖D就是教科書上常用的三極體電流放大原理示意圖。
看圖D,接著上面的討論,集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無關,主要取決於發射區載流子對基區的發射注入程度。

通過上面的討論,現在已經明白,三極體在電流放大狀態下,內部的主要電流就是由載流子電子由發射區經基區再到集電區貫穿三極體所形成。也就是貫穿三極體的電流Ic主要是電子流。這種貫穿的電子流與歷史上的電子三極體非常類似。如圖E,圖E就是電子三極體的原理示意圖。電子三極體的電流放大原理因為其結構的直觀形象,可以很自然得到解釋。

如圖E所示,很容易理解,電子三極體Ib與Ic之間的固定比例關係,主要取決於電子管柵極(基極)的構造。當外部電路條件滿足時,電子三極體工作在放大狀態。在放大狀態下,穿過管子的電流主要是由發射極經柵極再到集電極的電子流。電子流在穿越柵極時,很顯然柵極會對其進行截流,截流時就存在著一個截流比問題。截流比的大小,則主要與柵極的疏密度有關,如果柵極做的密,它的等效截流面積就大,截流比例自然就大,攔截下來的電子流就多。反之截流比小,攔截下來的電子流就少。柵極攔截下來的電子流其實就是電流Ib,其餘的穿過柵極到達集電極的電子流就是Ic。從圖中可以看出,只要柵極的結構尺寸確定,那麼截流比例就確定,也就是Ic與Ib的比值確定。所以,只要管子的內部結構確定,的值就確定,這個比值就固定不變。由此可知,電流放大倍數的β值主要與柵極的疏密度有關。柵極越密則截流比例越大,相應的β值越低,柵極越疏則截流比例越小,相應的β值越高。

其實晶體三極體的電流放大關係與電子三極體類似。晶體三極體的基極就相當於電子三極體的柵極,基區就相當於柵網,只不過電晶體的這個柵網是動態的是不可見的。放大狀態下,貫穿整個管子的電子流在通過基區時,基區與電子管的柵網作用相類似,會對電子流進行截流。如果基區做得薄,摻雜度低,基區的空穴數就會少,那麼空穴對電子的截流量就小,這就相當於電子管的柵網比較疏一樣。反之截流量就會大。很明顯只要電晶體三極體的內部結構確定,這個截流比也就確定。所以,為了獲大較大的電流放大倍數,使β值足夠高,在製作三極體時往往要把基區做得很薄,而且其摻雜度也要控制得很低。

與電子管不同的是,電晶體的截流主要是靠分布在基區的帶正電的「空穴」對貫穿的電子流中帶負電的「電子」中和來實現。所以,截流的效果主要取決於基區空穴的數量。而且,這個過程是個動態過程,「空穴」不斷地與「電子」中和,同時「空穴」又不斷地會在外部電源作用下得到補充。在這個動態過程中,空穴的等效總數量是不變的。基區空穴的總數量主要取決於摻「雜」度以及基區的厚薄,只要電晶體結構確定,基區空穴的總定額就確定,其相應的動態總量就確定。這樣,截流比就確定,電晶體的電流放大倍數的值就是定值。這就是為什麼放大狀態下,三極體的電流Ic與Ib之間會有一個固定的比例關係的原因。

對於截止狀態的解釋:

比例關係說明,放大狀態下電流Ic按一個固定的比例受控於電流Ib,這個固定的控制比例主要取決於電晶體的內部結構。

對於Ib等於0的截止狀態,問題更為簡單。當Ib等於0時,說明外部電壓Ube太小,沒有達到發射結的門電壓值,發射區沒有載流子「電子」向基區的發射注入,所以,此時既不會有電流Ib,也更不可能有電流Ic。另外,從純數學的電流放大公式更容易推出結論,Ic=βIb,Ib為0,很顯然Ic也為0。

三極體封裝與引腳

三極體的封裝形式是指三極體的外形參數,也就是安裝半導體三極體用的外殼。材料方面,三極體的封裝形式主要有金屬、陶瓷和塑料形式;結構方面,三極體的封裝為TO×××,×××表示三極體的外形;裝配方式有通孔插裝(通孔式)、表面安裝(貼片式)和直接安裝;引腳形狀有長引線直插、短引線或無引線貼裝等。常用三極體的封裝形式有TO-92、TO-126、TO-3、TO-220TO等。

國產電晶體按原部標規定有近30種外形和幾十種規格,其外形結構和規格分別用字母和數字表示,如TO-162、TO-92等。電晶體的外形及尺寸如圖1所示。

圖1 電晶體的外形及尺寸

封裝

1.金屬封裝

(1)B型:B型分為B-1、B-2、…、B-6共6種規格,主要用於1W及1W以下的高頻小功率電晶體,其中B-1、B-3型最為常用。引腳排列:管底面對自己,由管鍵起,按順時針方向依次為E、B、C、D(接地極)。其封裝外形如圖2(a)所示。

(2)C型:引腳排列與B型相同,主要用於小功率。其封裝外形如圖2(b)所示。

(3)D型:外形結構與B型相同。引腳排列:管底面對自己,等腰三角形的底面朝下,按順時針方向依次為E、B、C。其封裝外形如圖2(c)所示。

(4)E型:引腳排列與D型相同,封裝外形如圖3(d)所示。

(5)F型:該型分為F-0、F-1~F-4共5種規格,各規格外形相同而尺寸不同,主要用於低頻大功率管封裝,使用最多的是F-2型封裝。引腳排列:管底面對自己,小等腰三角形的庵面朝下,左為E,右為B,兩固定孔為C。其封裝外形如圖2(e)所示。¨

(6)G型:分為G-1~G-6共6種規格,主要用於低頻大功率電晶體封裝,使用最多的是G-3、G-4型。其中G-1、G-2為圓形引出線,G-3~G-6為扁形引出線。引腳排列:管底面對自己,等腰三角形的底面朝下,按順時針方向依次為E、B、C。其封裝外形如圖2(f)所示。

2.塑料封裝

(1)S-1型、S-2型、S-4型:用於封裝小功率三極體,其中以S-1型應用最為普遍。S-1、S-2、S-3型管的封裝外形如圖2(g)、(h)、(i)所示。引腳排列:平面朝外,半圓形朝內,引腳朝上時從左到右為E、B、C。

(2)S-5型:主要用於大功率三極體。引腳排列:平面朝外,半圓形朝內,引腳朝上時從左到右為E、B、C。S-5型的封裝外形如圖2(j)所示。

(3)S-6lA、S-6B、S-7、S-8型:主要用於大功率三極體,其中以S-7型最為常用。S-6A引腳排列:切角面面對自己,引腳朝下,從左到右依次為B、C、E。它們的引腳排列與外形分別如圖5.12(k)、(l)、(m)、(n)所示。

(4)常見進口管的外形封裝結構:TO-92與部標S-1相似,TO-92L與部標S-4相似,TO126與S-5相似,TO-202與部標S-7相似。

圖2 電晶體的外形及尺寸(續)

常見三極體的封裝對照圖如圖3所示。

圖3 常見三極體封裝對照圖

常見三極體封裝實物圖如圖4所示。

圖4 常見三極體封裝實物圖

2 引腳

三極體引腳的排列方式具有一定的規律。對於國產小功率金屬封裝三極體,底視圖位置放置,使三個引腳構成等腰三角形的頂點上,從左向右依次為E、B、C;有管鍵的管子,從管鍵處按順時針方向依次為E、B、C,其引腳識別圖如圖5(a)所示。對於國產中小功率塑封三極體,使其平面朝外,半圓形朝內,三個引腳朝上放置,則從左到右依次為E、B、C,其引腳識別圖如圖5(b)所示。

目前,市場上有各種類型的晶體三極體,引腳的排列不盡相同。在使用中不確定引腳排、列的三極體,必須進行測量,或查找電晶體使用手冊,明確三極體的特J跬及相應的技術參數和資料。

現今比較流行的三極體901 I~9018系列為高頻小功率管,除9012和9015為PNP型管外,其餘均為NPN型管。

常用9011~9018、C1815系列三極體引腳排列如圖6所示。平面對著自己,引腳朝下,從左至右依次是E、C、B。

圖5 國產小功率三極體引腳識別圖

圖6 常用C1815等引腳排列圖

貼片式三極體有三個電極的,也有四個電極的。一般三個電極的貼片式三極體從頂端往下看有兩邊,上邊只有一腳的為集電極,下邊的兩腳分別是基極和發射極。在四個電極的貼片式三極體中,比較大的一個引腳是三極體的集電極,另有兩個引腳相通是發射極,餘下的一個是基極。常見貼片式三極體引腳外形圖如圖7所示。

圖7 常見貼片式三極體引腳外形圖


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