三极管特性曲线
晶体管三个极,与二极管不同,所以不是简单的二极管的伏安特性曲线能解决的,要分析三极管,这里只说共射电路,就分为两个端口输入和输出,分别是输入特性曲线和输出特性曲线。
输入特性曲线
输入端,基极与射极之间的电压UBE和电流IB。输入信号是UBE,UBE控制电流IB,IB再控制IC,所以输入特性曲线研究的是UBE对IB的控制。如下
IB=f(UBE)|UCE=常数
**含义:**IB的大小受输入信号UBE的控制。
IB和UBE之间的关系就是二极管的伏安特性曲线,因为发射结是正向偏置的。所以如下图
看了上面曲线,关于UBE和IB之间的关系很容易明白,但也还有两个非常明显的问题:
1.为什么UCE变大曲线右移
2.为什么UCE大于1v之后,曲线基本不移动了
分析:UCE=0v时,集电极与射极短路,就是PN结的伏安特性曲线。
当集电极电压逐渐增大的时候,集电结的正偏慢慢的变成了反偏,漂移运动逐渐增强,集电结收集电子的能力逐渐增强,所以当相同UBE的情况下面,UCE变大流向基极的电流IB变小。而当UCE=1v的时候,集电结已经将发射结扩散到基区的电子全部收集走,所以当UCE>1v的时候,曲线几乎不再左移。这样以来,上面的两个问题相信解释的很清楚了。
输出特性曲线
IC与UCE之间的关系,但是还收到IB的影响。
IC=f(UCE)|IB=常数
分析:这是一个曲线组,取其中一条分析当IB=0的时候这个电流是穿透电流ICEO,当IB=IB1的时候,刚开始UCE从零逐渐增大的过程,集电结由正偏慢慢到反偏,集电极收集电子的能力逐渐增强,所以曲线慢慢上升,但是当集电极将发射区扩散过来的电子基本全部收集走的时候,此时再增大UCE,IC就趋于不变了。所以整个曲线的走向是先上升,然后趋于平缓。
截止区:IB=0,发射结没有正偏,此时的电流是穿透电流ICEO。
放大区:此时从图中可以看出,IC的变化不受UCE的控制,完全受IB的控制,而且IC/IB约等于一个定值。
饱和区:此时从图中可以看出来IC不受IB的控制,整个三极管就类似于一个大导体,双结正偏。这时又一个UCES饱和压降。
比较难以理解的就是饱和区,当βIB>ICmax的时候就进入饱和区了。双结正偏UCE很小,集电结也正偏,此时的IC<βIB。
饱和区理解很重要的两点:
对于一个IB不变的电路来说,IB放大得到的IC是大于IB饱和时的IC的,因为UCE是变化的。 对于一个UCE不变的电路来说,饱和时的IC就是ICmax,此时的UCE不足以支持IC到达此时的βIB,所以此时的βIB>ICmax。
所以想让一个工作再放大区的三极管工作在饱和区,也就是从βIB=ICmax到βIB>ICmax有两种办法:
1.增加UBE也就是增大IB
2.减小UCE也就是减小ICmax
两种方法的趋势都是使集电结正偏。
主要参数
共射电流放大系数β⑧和β
在共射极放大电路中,若交流输入信号为零,则管子各极间的电压和电流都是直流量,此时的集电极电流IC和基极电流IB的比就是β⑧,β⑧称为共射直流电流放大系数。
当共射极放大电路有交流信号输入时,因交流信号的作用,必然会引起IB的变化,相应的也会引起IC的变化,两电流变化量的比称为共射交流电流放大系数β,即
上述两个电流放大系数β⑧和β的含义虽然不同,但工作在输出特性曲线放大区平坦部分的三极管,两者的差异极小,可做近似相等处理,故在今后应用时,通常不加区分,直接互相替代使用。
由于制造工艺的分散性,同一型号三极管的β值差异较大。常用的小功率三极管,β值一般为20~100。β过小,管子的电流放大作用小,β过大,管子工作的稳定性差,一般选用β在40~80之间的管子较为合适。
极间反向饱和电流ICBO和ICEO
(1)集电结反向饱和电流ICBO是指发射极开路,集电结加反向电压时测得的集电极电流。常温下,硅管的ICBO在nA(10-9)的量级,通常可忽略。
(2)集电极-发射极反向电流ICEO是指基极开路时,集电极与发射极之间的反向电流,即穿透电流,穿透电流的大小受温度的影响较大,穿透电流小的管子热稳定性好。
极限参数
(1)集电极最大允许电流ICM
晶体管的集电极电流IC在相当大的范围内β值基本保持不变,但当IC的数值大到一定程度时,电流放大系数β值将下降。使β明显减少的IC即为ICM。为了使三极管在放大电路中能正常工作,IC不应超过ICM。
(2)集电极最大允许功耗PCM
晶体管工作时、集电极电流在集电结上将产生热量,产生热量所消耗的功率就是集电极的功耗PCM,即
PCM=ICUCE (5-7)
功耗与三极管的结温有关,结温又与环境温度、管子是否有散热器等条件相关。根据5-7式可在输出特性曲线上作出三极管的允许功耗线,如图5-8所示。功耗线的左下方为安全工作区,右上方为过损耗区。
手册上给出的PCM值是在常温下25℃时测得的。硅管集电结的上限温度为150℃左右,锗管为70℃左右,使用时应注意不要超过此值,否则管子将损坏。
(3)反向击穿电压UBR(CEO)
反向击穿电压UBR(CEO)是指基极开路时,加在集电极与发射极之间的最大允许电压。使用中如果管子两端的电压UCE>UBR(CEO),集电极电流IC将急剧增大,这种现象称为击穿。管子击穿将造成三极管永久性的损坏。三极管电路在电源EC的值选得过大时,有可能会出现,当管子截止时,UCE>UBR(CEO)导致三极管击穿而损坏的现象。一般情况下,三极管电路的电源电压EC应小于1/2 UBR(CEO)。
温度的影响
1.温度对输入特性的影响
对于输入来说,和二极管的正向特性一样,UBE正向偏置,二极管正偏,温度每升高一度,UBE下降2mv左右。
2.对于输出的影响
对于输出来说,集电结反偏,有反向饱和电流ICEO,ICEO是由少数载流子漂移运动形成的,它与环境温度关系很大,ICEO随温度上升会急剧增加。温度上升10℃,ICEO将增加一倍。由于硅管的ICEO很小,所以,温度对硅管ICEO的影响不大。
3.对于β的影响
三极管的β随温度的升高将增大,温度每上升1℃,β值约增大0.5~1%,其结果是在相同的IB情况下,集电极电流IC随温度上升而增大。