§1-5-3 晶体三极管的伏安特性曲线

1. §1-5-3 晶体三极管的伏安特性曲线 • 晶体管的伏安特性曲线是描述三极管的各端电流与两个PN结外加电压之间的关系的一种形式，其特点是能直观，全面地反映晶体管的电气性能的外部特性。 • 晶体管的特性曲线一般用实验方法描绘或专用仪器（如晶体管图示仪）测量得到。 • 晶体三极管为三端器件，在电路中要构成四端网络，它的每对端子均有两个变量（端口电压和电流），因此要在平面坐标上表示晶体三极管的伏安特性，就必须采用两组曲线簇，我们最常采用的是输入特性曲线簇和输出特性曲线簇。

2. 一、输入特性曲线 • 输入特性是指三极管输入回路中，加在基极和发射极的电压UBE与由它所产生的基极电流IB之间的关系。 • （1）UCE = 0时相当于集电极与发射极短路，此时，IB和UBE的关系就是发射结和集电结两个正向二极管并联的伏安特性。 • 因为此时JE和JC均正偏，IB是发射区和集电区分别向基区扩散的电子电流之和。

3. 输入特性曲线簇

4. （2）UCE≥1V 即：给集电结加上固定的反向电压，集电结的吸引力加强！使得从发射区进入基区的电子绝大部分流向集电极形成Ic。 • 同时，在相同的UBE值条件下，流向基极的电流IB减小，即特性曲线右移， • 总之，晶体管的输入特性曲线与二极管的正向特性相似，因为b、e间是正向偏置的PN结（放大模式下）

5. mA A V 1.3.4特性曲线 IC IB EC V RB UCE UBE EB 实验线路

6. UCE =0.5V UCE=0V IB(A) UCE 1V 80 60 40 20 UBE(V) 0.4 0.8 一、输入特性 工作压降： 硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。 死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。

7. 二、输出特性曲线 • 输出特性通常是指在一定的基极电流IB控制下，三极管的集电极与发射极之间的电压UCE同集电极电流Ic的关系。 • 现在我们所见的是共射输出特性曲线表示以IB为参变量时，Ic和UCE间的关系： • 即 Ic= f(UCE)|IB = 常数 • 实测的输出特性曲线如图所示：根据外加电压的不同，整个曲线可划分为四个区： 放大区、截止区、饱和区、击穿区

8. 100A 4 80A 3 60A 2 40A 1 20A IB=0 3 12 UCE(V) 6 9 二、输出特性 当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。 IC(mA ) 此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。

9. IC(mA ) 100A 4 80A 3 60A 2 40A 1 20A IB=0 3 12 UCE(V) 6 9 此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。

10. IC(mA ) 100A 4 80A 3 60A 2 40A 1 20A IB=0 3 12 UCE(V) 6 9 此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE< 死区电压，称为截止区。

11. 输出特性曲线簇

12. 输出特性三个区域的特点: • 放大区：发射结正偏，集电结反偏。 • 即： IC=IB , 且 IC=IB (2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE，IB>IC，UCE0.3V (3) 截止区：UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO0

13. 1、截止区： 晶体管工作在截止模式下，有： UBE<0.7V，UBC<0 所以： IB ≤ 0，IE = IC = 0 结论： 发射结Je反向偏置时，晶体管是截止的。

14. 2、放大区 晶体管工作在放大模式下 : UBE > 0.7V, UBC < 0，此时特性曲线表现为近似水平的部分，而且变化均匀，它有两个特点： ① Ic的大小受IB的控制；ΔIc>>ΔIB； ② 随着UCE的增加，曲线有些上翘。 此时 : ΔIc>>ΔIB，管子在放大区具有很强的电流放大作用。

15. 结论： 在放大区，UBE> 0.7V，UBC< 0，Je正偏，Jc反偏，Ic随IB变化而变化，但与UCE的大小基本无关。 ΔIc>>ΔIB，具有很强的电流放大作用！

16. 3、饱和区： • 晶体管工作在饱和模式下： • UBE>0.7V，UBC>0，即：Je、Jc均正偏。 • 特点：曲线簇靠近纵轴附近，各条曲线的上升部分十分密集，几乎重叠在一起，可以看出： 当 IB 改变时，Ic 基本上不会随之而改变。 • 晶体管饱和的程度将因IB和Ic的数值不同而改变，

17. 一般规定： 当 UCE=UBE 时的状态为临界饱和（VCB=0） 当 UCE＜UBE 时的状态为过饱和； • 饱和时的UCE用UCES表示，三极管深度饱和时UCES很小，一般小功率管的UCES＜ 0.3V，而锗管的UCES＜ 0.1V，比硅管还要小。

18. 4、击穿区 • 随着UCE增大，加在JE上的反向偏置电压UCB相应增大。 • 当UCE增大到一定值时，集电结就会发生反向击穿，造成集电极电流Ic剧增，这一特性表现在输出特性图上则为击穿区域。 • 造成击穿的原因： • 由于集电结是轻掺杂的，产生的反向击穿主要是雪崩击穿，击穿电压较大。除此之外，在基区宽度很小的三极管中，还会发生特有的穿通击穿，即：当UCE增大时，UCB相应增大，导致集电结Jc的阻挡层宽度增宽，直到集电结与发射结相遇，基区消失，这时发射区的多子电子将直接受集电结电场的作用，引起集电极电流迅速增大，呈现类似击穿的现象。 • 三极管的反向击穿主要表现为集电结的雪崩击穿。

19. 5、晶体管三极管的工作特点如下： • （1）为了在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管应该工作在输入特性的线性部分，而且始终工作在输出特性的放大区，任何时候都不能工作在截止区和饱和区。 • （2）为了保证三极管工作在放大区，在组成放大电路时，外加的电源的极性应使三有管的发射结处于正向偏置状态，集电结则处于反向偏置状态。

20. （3）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性并不完全理想（表现为曲线而非直线），因此放大后的波形仍有一定程度的非线性失真。（3）即使三极管工作在放大区，由于其输入，输出特性并不完全理想（表现为曲线而非直线），因此放大后的波形仍有一定程度的非线性失真。 • （4）由于三极管是一个非线性元件，其各项参数（如β、rbe等）都不是常数，因此在分析三极管组成的放大电路时，不能简单地采用线性电路的分析方法。而放大电路的基本分析方法是图解法和微变等效电路（小信号电路分析）法。

21. 三、温度对晶体管特性的影响 • 由于三极管也是由半导体材料构成，和二极管一样，温度对晶体管的特性有着不容忽视的影响。表现在以下三个方面： • 1、温度对UBE的影响：输入特性曲线随温度升高向左移，这样在IB不变时，UBE将减小。UBE随温度变化的规律与二极管正向导通电压一样，即：温度每升高1℃，UBE减小2～2.5mV。 • 2、温度对ICBO的影响：ICBO是集电结的反向饱和电流，它随温度变化的规律是：温度每升高10℃，ICBO约增大一倍。

22. 3、温度对β的影响：晶体管的电流放大系数β随温度升高而增大，变化规律是：每升高1℃，β值增大0.5～1%。 3、温度对β的影响：晶体管的电流放大系数β随温度升高而增大，变化规律是：每升高1℃，β值增大0.5～1%。 • 在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度升高而增大。 • 总之： 温度对UBE、ICBO和 β的影响反映在管子上的集电极电流 Ic上，它们都是使 Ic随温度升高而增大，这样造成的后果将在后面的放大电路的稳定及反馈中详细讨论。

23. 四、三极管的开关工作特性： • （轮流工作在饱和模式和截止模式下） • 三极管的开关特性在数字电路中用得非常广泛，是数电路中最基本的开关元件，通常不是工作在饱和区就是工作在截止区，而放大区只是出现在三极管由饱和区变为截止或由截止变为饱和的过渡过程中，是瞬间即逝的， • 因此对开关管，我们要特别注意其开关条件和它在开关状态下的工作特点。（重点在结论）

24. 如右图电路中： • 当UI=0时， 晶体管截止 • 当UI=3V时，晶体管饱和导通。 IC IB

25. ① 饱和导通条件及饱和时的特点： 条件：三极管临界饱和时 UCE=UCES , Ic=ICS , IB=IBS 由上面电路知 ： 其中UCES很小 ！

26. 在工作中，若三极管的基极电流IB大于临界饱和时的IBS，则晶体管T导通，即在工作中，若三极管的基极电流IB大于临界饱和时的IBS，则晶体管T导通，即 当 : 时，T 导通 特点：由输入和输出特性知：对硅管来说，饱和导通后，UBE=UBES= 0.7V，UCE= UCES≤0.3V，如同闭合的开关。

27. ② 截止条件及截止时的特点： • 条件：UBE<UON= 0.5V，VON为硅管发射结的死区电压。 • 由三极管的输入特性知道，当UBE < 0.5V时，管子基本上截止的，所以，在数字电路的分析估算中，常把UBE< 0.5V作为截止条件。 • 特点：三极管截止时，IB ≈ 0 , Ic ≈ 0，如同断开的开关。

28. ③ 简化电路模型： • 前面我们讲到三极管在饱和模式和截止模式下呈现受控开关特性，那么，它工作在这两种模式的转换之下就可实现开关电路，现在我们分别来看一下其饱和模式和截止模式下的等效电路。 • 以共发射极接法为例：

29. UCES 0.3V UBES=0.7V

30. 五、三极管的主要参数 三极管的参数是用来表征管子各方面性能及其运用范围的指标，可以做为电路设计，调整和使用时的参考。其主要参数有： 1、电流放大系数： • 直流放大系数： （以上系数在讨论大幅度信号变化或涉及直流量时使用）

31. 交流放大系数： • （以上系数在讨论小信号的变化量时使用） • 当 基本不变（或在IE的一个相当大的范围内）时，有：

32. 2、极间反向电流： ICEO = (1+β)  ICBO • 其中: ICBO指发射极开路时，集电极与基极间的反向饱和电流;ICEO又叫ICEO(pt)，指基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。

33. 3、特征频率fT fT是反映晶体管中两个PN结电容的影响的参数 当输入信号的频率增高到一定值后，结电容将起到明显的作用，使β下降，因此， fT是指使β下降到1时输入信号的频率。

34. ICEO= IBE+ICBO  IBE ICBO IBE 集-射极反向截止电流ICEO ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。 集电结反偏有ICBO C N B P N 根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。 E ICBO进入N区，形成IBE。

35. 4、极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM： 在Ic的一个很大范围内，β值基本不变，但当Ic超过一定数值后，β值将明显下降，此值就是ICM。 （2）集电极反向击穿电压U(BR)EBO、U(BR)CBO、U(BR)CEO U(BR)EBO：集电极开路时，射一基极间的反向击穿电压，这是发射结允许的最高反向电压，一般为1V～几伏。

36. U(BR)CBO：发射极开路时，集-基极间的反向击穿电压，即集电结所允许的最高反向电压，一般为几十～几千伏。 U(BR)CEO：基极开路时，集-射极间的反向击穿电压。 一般地：U(BR)CBO>U(BR)CEO （3）集电极最大允许功率损耗PCM：PCM = Ic·UCE PCM决定于管子允许的温升，管子在使用时的功耗不能超过PCM，而且要注意散热，Si管为150℃，Ge管为70℃即为上限温度。

37. IC ICM UCE U(BR)CEO 集电极最大允许功耗PCM 安全工作区 • 集电极电流IC • 流过三极管， • 所发出的焦耳 • 热为： ICUCE=PCM PC =ICUCE • 必定导致结温 • 上升，所以PC • 有限制。 PCPCM

38. 六、晶体三极管的应用 • 作为三端器件的晶体三极管是伏安特性为非线性的有源器件，工作在放大区时具有正向受控作用，等效为一个受控电流源，而工作在饱和区和截止区时具有可控开关特性。这种非线性和可控性（正向受控和可控开关）是实现众多功能电路的基础，或者说，众多的应用电路都是以三极管为核心，配以合适的管外电路组成的。 • 利用三极管组成的电路可以有： • 放大电路、电流源、跨导线性电路、有源电阻、可控开关等。

39. IC C IB RC B UCE E UBE RB USC USB 例：=50， USC=12V， RB=70k， RC=6k 当USB= -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？ 当USB=-2V时： IB=0 ， IC=0 IC最大饱和电流： Q位于截止区

40. IC C IB RC B UCE E UBE RB USC USB 例：=50， USC=12V， RB=70k， RC=6k 当USB= -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？ USB=2V时： IC<ICmax (=2mA)，Q位于放大区。

41. IC C IB RC B UCE E UBE RB USC USB 例：=50， USC=12V， RB=70k， RC=6k 当USB= -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？ USB=5V时: Q 位于饱和区，此时IC 和IB已不是  倍的关系。

42. 七、三极管的等效电路模型 • 我们将在放大电路分析中再讲，以免重复。