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三极管的作用 二极管是控制导线中电子的流动方向，而三极管是控制导线中流动电子的多少。 三极管的发明 要想控制一根导线中的电流，首先要把这根导线断开，断开的两端我们分别叫做C端和E端（C和E实际上是输出回路），如果在C和E之间加个器件，这个器件能使电流从C端流进并能从E端流出来，同时这个电流又能被我们控制住，那么这个器件就成功了。 为了实现上述要求，接下来就在C-E之间放一个NPN（或PNP）结构的半导体，可是，现在的问题是，在这种情况下无论怎样在C和E之间加电源，C-E这根导线始终都不会有电流。 我们又知道，电子流动的方向与人们定义电流的方向相反（这是因为当时人们以为电线里流过的是电流），所以在中间半导体引出一个电极（B极），在B-E之间（实际上是加在发射结上，见PN结特性）加一个正向电压，这时发射区就会向基区发射电子从而形成E极流出的电流。 但是，要想实现这个电流是从C端入、从E端出，则必须要把发射区发射的这些电子都收集到C极去，这样需要在C和E之间加正向电压，使集电结处于反向击穿状态，使电子能顺利收集到C极，这个收集电子的能力要比发射电子的能力强，它就像一个大口袋，发射区发射多少就收多少。 这样就能理解三极管输出特性曲线了，当B极电流一定时，随着C-E电压的增加，C极电流就不再增加了，因为B极电流一定时，发射区发射的电子数量就一定了，收集的能力再强也要不到多余的电子了。这样，三极管可以实现电流从C端到E端（假设它们之间是被断开的导线两端）。 最理想的是流进C端的电流就等于E端流出的电流，同时这个电流又被一个B-E电压（或信号）控制。但是，三极管不是一个理想的器件，因为C端电流不等于E端电流，有一部分电流流过B极，我们尽量使C端电流等于E端电流，所以，这就是为什么在工艺上要使基区浓度要低而且还要薄，同时集电结的面积还要大的根本原因。 Uce电压的作用是收集电子的，它的大小不能决定Ic的大小，从三极管输出特性曲线可以看到，当Ib一定时（也就是Ube一定时），即使Uce增加，Ic就不变了，但是曲线有些上翘，其实这是半导体材料的问题。 实际上，Ie是受从输入端看进去的发射结电压控制的（可以参见三极管高频小信号模型），加Uce电压的时候发射结已经处于导通了，它的影响不在发射结而在集电结。 加Uce电压是为了让Ic基本等于Ie，所以说Ic受发射结电压控制，人们为了计算方便把这种控制折算成受Ib控制，就是因为说成这样，使得人们不太容易理解三极管工作的原理。 从输出回路受输入回路信号控制的角度来看，Ic不是由Ie控制的，但是，Ic其实是由Ie带来的，所以，也可以说Ic受Ie影响的，这也得受三极管制造工艺影响，如果拿两个背靠背二极管的话，怎么也不行。 尽管三极管不是一个理想器件，但是，它的发明已经是具有划时代意义了。由于它的B极还有少量电流，因为这个电流的存在意味着输入回路有耗能，如果不耗能就能控制住输出回路的电流，所以后来人们发明了场效应管。其实，发明场效应管的思想也是与三极管一样的，就是为了用一个电压来控制导线中的电流，只是这回输入回路几乎不耗能了，同时，器件两端的电流相等了。 三极管的应用 三极管的两个基本应用分别是“可控开关”和“信号的线性放大”。 可控开关 C和E之间相当于一个可控开关（当然，这个开关有一定的参数要求），当B-E之间没有加电压时，C-E之间截止（C-E之间断开）；而当B-E之间电压加的很大，发射区发射的电子数量就多，C极和E极的电流就很大。 如果输出回路中有负载时（注意，输出回路没有负载C-E之间就不会饱和），由于输出回路的电源电压绝大部分都加到负载上了，C-E之间的电压就会很小，C-E之间就处于饱和状态，C-E之间相当于短路。在饱和情况下，尽管C极电流比基极电流大，但是，C极电流与输入回路的电流（基极电流）不成β的比例关系。 从另一方面看饱和：从输出特性曲线可以看到，Ib一定时Uce电压不用很大，那个输出特性曲线就弯曲变平了，这说明收集电子的电压Uce不用很大就行，其实不到1V就行，但是，实际上我们在输出回路都是加一个电压很大的电源，你再加大Uce也没有用，我们看到，Ib一定时Uce增加后对Ic的大小没有影响（理想情况），所以要想把发射的电子收集过去，Uce根本不用很大电压。 但是，通常情况下，我们会在输出回路加入一个负载，当负载两端电压小于电源电压时，电源电压的其它部分就加在C-E两端，此时三极管处于线性放大状态。但是，负载两端电压的理论值大于电源电压时，则三极管就处于饱和状态，这种情况Ic不用很大也行。 所以不要以为Uce一定很大三极管集电极才能收集到电子，可以看到收集电子的电压很小就行。对于饱和的问题来说，除了上一段文字中说到的电流很大引起饱和外，我们还可以从电压的角度来看，假设三极管b=50，电源电压为12V，基极电流为40微安，则集电极电流就是2毫安，如果集电极接一个3千欧姆电阻，则Uce=6V，而这个电阻换成30千欧姆时，Uce趋于零了，这种情况下三极管也是饱和了。 所以从电压角度来看，集电极电流不一定很大，在选择合适负载电阻的情况下，三极管也可以处于饱和状态，所以，饱和与负载有关，如果电源电压很大，那饱和时Uce就这么一点点电压而言那当然是微不足道的，所以，很多地方就将它约等于零了，但是并不能说它没有电子收集能力。 信号的线性放大 这种情况下，C极电流与B极电流成线性比例关系Ic=βIb（B-E之间电压要大于死区电压，同时Uce不趋于零），而且，C极电流比B极电流大很多，前面已经知道，C极电流的大小受B-E电压控制（人们为了分析问题方便，将这种控制关系说成是C极电流受B极电流控制）。实际上，马路上到处跑的汽车就是一个放大器，它是把驾驶员操作信号给放大了，它也是线性放大，是能量的放大，而多余的能量来自于燃烧的汽油。 以三极管放大电路为例的直流工作点问题，以NPN管子为例，共射、共基、共集电极三个电路的直流都是一个方向。无论三极管电路的哪种接法，它们的直流电流方向都是一样的，输入（发射结）加入微弱交流小信号后，只能使这些输出回路电流发生扰动，总体上不能改变这些电流的方向。 但是，这个输出回路电流中有被输入交流信号影响的扰动信号，我们要的就是这个扰动的信号（输出交流信号），这个扰动的信号比输入信号大，这就是放大，也可以说，放大其实是输出回路电流受输入信号的控制。 如果直流工作点设置合理时，那个扰动信号就与输入交流小信号成比例关系，而且又比输入信号大，我们要的就是这个效果。 |