浅析三极管输出特性曲线

2015-10-20 08:39阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2923174997

记得当年学模电，感觉整个模拟电路都在和这个图做斗争，其实很多时候我们并不是不理解，只是说服不了自己去相信这些事实，这篇文章我将分享一些我自己的理解方法，可能并不是很准确，但希望能帮助大家理解。

浅析三极管输出特性曲线

三极管输出特性曲线
在讲输出特性曲线之前，我首先要写很多废话来讲清楚三极管到底是怎么工作的。
1、发射区向基区发射电子
电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。
2、基区中电子的扩散与复合
电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入

集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。
3、集电区收集电子
由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。
以上是书本上的解释，我相信初学者很少有能看懂这些正确的废话的，但是当你看完这篇文章再回头读读这些话，你就会感叹，教科书里面的话真的是很精辟，没有一句废话。

废话不多说，要搞明白三极管，首先要搞明白二极管（这里所讲的是晶体二极管，电子二极管比这个好理解）。而要弄懂二极管，自然不可回避PN结——在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。其实通过这个定义，你依然不能解释很多问题，这里涉及到载流子的问题，在P区载流子主要是空穴，而N区主要载流子是电子，如果将P型半导体和N型半导体贴在一起，自然会因为浓度差形成载流子扩散（就像高中化学和生物里分子扩散一样）。由于载流子的扩散，在两种半导体交界处形成了空间电荷区（也称为耗尽区，个人认为空间电荷区更形象，就是一堆不能移动的电荷），由于这些电荷的存在，形成了内电场，这个内电场会阻止进一步扩散，整个过程如下图所示。

浅析三极管输出特性曲线

二极管原理图
如果我们在PN结外部加上一个与内电场反方向的电压，只要电压大于内电场，便可以克服内电场阻力，P型半导体和N型半导体内的多数载流子可以继续正常流动；相反，如果加上和内电场相同的方向的电压，则这种阻力会进一步增强，但是如果电场过大，内部晶格会发生变化（齐纳击穿），最终导致三极管被击穿。
以下是关于雪崩击穿个人的猜想（实在不知道该怎么查证，如果有知道，希望不吝赐教）：PN结反向击穿有三种形式——雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。齐纳击穿和热击穿从面上很好理解，而雪崩击穿的解释中，有一句话是不合常理——因为耗尽区的电场方向和外加电场方向一致，导致电场很大，电子在电场中被加速到一定的速度之后撞击晶格形成电子－空穴对，被撞击出来的电子又被加速撞击其他的晶格......注意这里他说电子在电场中被加速到一定速度，电子是哪儿来的？（其实我一直不能理解这个问题，直到前几天看到一篇文章，给了我一些启发）。我们知道P型半导体里面的多数载流子是空穴，注意是多数载流子，也就是在P型半导体内还有少数载流子——电子，同样在N型半导体内也有少数载流子——空穴，虽然多数载流子的运动的被限制了，但少数载流子的运动却得到了加强（注意这句话）。所以我猜测这个电子便是少数载流子，当然这只是我的猜测，但是这却和三极管的原理有着莫大的关系。
弄懂了二极管，我们就可以开始解释三极管的工作原理了，我相信很多人和我一样对三极管都是一知半解的，其实这没什么，作为工科的学生，弄清楚原理不是我们的目的，即使一知半解对我们来说也是绰绰有余了，但是我觉得理解这些深层次的原理本身是一件很有趣的事。
正如我上面所提到的，二极管中的少数载流子的运动得到了加强，注意最关键的一步——如果我们在反向偏置的PN的P区注入电子。这个时候电子可以轻而易举地通过耗尽区，甚至可以说是被拉到了N区，这其实就是三极管的原理！！！讲到这里可能有些人已经恍然大悟了，但大多数人肯定依然一头雾水，不要急，再多读两分钟就能明白了。
仔细观察下面这张图片，这张图片是三极管的原理图，但仔细想想其实就是我们上面所提到的那种情况——基区和集电区构成的PN结反偏，基区和发射区（掺杂了很多电子）构成的PN结正偏，电子被不断注入基区（即反向偏置的PN结的P区）。

浅析三极管输出特性曲线

三极管原理图
到这里有人可能会问出一个很“致命”的问题——三极管到底怎么放大的？要说清这个问题其实很不容易，如果我们够单纯的话，从图中很容易看出Ic+Ib=Ie（事实也的确如此），这个问题的关键在于为什么集电极电流和基区电流成固定比例关系（即这个β到底是啥）。我可以告诉大家一个简单的理解方法（虽然不准确）——大家知道基区其实是P型半导体，尽管他很薄，但不可否认他的里面还是有很多的空穴，当电子路过基区想去集电区串门时，基区的空穴就会在半路上拦截一部分的电子，但是毕竟寡不敌众，大多数的电子还是流向了集电区，其实这种拦截能力正是β的体现，拦截下来的电子就是基极电流，没拦住的则是集电极电流。这种拦截能力是三极管固有的能力，因此β值也基本上不会改变。
终于把三极管的原理讲完了，接下来就是这篇文章的重点（虽说是重点，但其实没什么可讲的，该讲的都已经说完了，剩下的靠自己悟了）——三极管的输出特性曲线。讲之前，让我们再次膜拜一下这个图吧：

浅析三极管输出特性曲线

三极管输出特性曲线
为了更好的解释着个问题，我做了一个简单的仿真（Multisim），电路很简单，可能有些地方并不满足实际需要，仅用于说明问题，电路如下（这里的R3用于调节偏置）：

浅析三极管输出特性曲线

Multisim仿真电路图
一、截止区
这是最不需要废话的一个区，不管你是怎么理解三极管的，这个区你总能理解对了，这里我说一下自己的理解（沿用上面关于三极管的解释）——当基极电压过小，以至于不能导通基极和发射极所构成的PN结，这个时候，不管你Uce有多大，都不会产生集电极电流，此时三极管处于截止区。
仿真：此时R3=100Ω；很显然三极管是截止的，此时仿真结果如下（不解释了，大家一看就懂）：

浅析三极管输出特性曲线

截止区Uce电压

浅析三极管输出特性曲线

截止区输出波形
二、饱和区
很多人都觉得饱和区不好理解，其实也很简单，先解释下原理——当Ube过大，Ic也很大，这样就导致集电极反向偏置电压很小，于是PN结不再具备能将电子从基区拉到集电极的能力了，此时PN有可能出现正偏现象，即整个PN结就像是一跟导线一样，这种情况下，如果提高Vc的大小，Ic也会随着提高。
仿真：此时R3=47KΩ；很显然三极管是饱和的，此时仿真结果如下：
大家之所以觉得不好理解，可能是因为饱和两个字的误解，大家要清楚名字是人起的，性质确实天生的。就好像人一样，名字有时候能反映一个人的一些特点（潜移默化的会影响），但看一个人的本性看名字是远远不够的。

浅析三极管输出特性曲线

饱和区Uce电压

浅析三极管输出特性曲线

饱和区输出波形
三、放大区
之所以放在最后说，因为我在上面已经解释清楚了，不需要再解释他的原理了。
看仿真，此时R3=4.7 KΩ，结果如下（波形失真了，但不影响分析问题）：

浅析三极管输出特性曲线

放大区Uce电压

浅析三极管输出特性曲线

放大区输出波形
后面的部分写得很少，不是我不愿意写，其实是因为我觉得这些解释和仿真结果足以帮助我们去设计和分析电路了，如果以后有时间，我会写一篇利用三极管设计的电路的分析，其实三极管很复杂，但是我们也不要往复杂了想。以上所讲，并非专业解释，可能有很多原理上纰漏，只是个人的一些想法和感悟，写出来一是分享，也是为了复习下这方面的知识。

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