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  • 晶体管基本放大电路

    万次阅读 多人点赞 2019-05-27 10:57:03
    晶体管基本放大电路 对于电信号,一般是直流和交流的混合,在分析时我们要将他们分开来分析,因此包括直流分析(静态分析)和交流分析(动态分析)。 直流通路 直流电流流经的通路。分析时遵循以下规则: 电容视为...

    放大电路

    晶体管基本放大电路

    对于电信号,一般是直流和交流的混合,在分析时我们要将他们分开来分析,因此包括直流分析(静态分析)交流分析(动态分析)

    直流通路

    直流电流流经的通路。分析时遵循以下规则:

    1. 电容视为开路,即电容断开
    2. 电感视为短路,即用导线代替
    3. 电压源短路,电流源开路,内阻保留

    交流通路

    交流电流流经的通路。分析时遵循以下规则:

    1. 大容量电容视为短路
    2. 无内阻的直流电源视为短路
    3. 直流电压变化量为0,视为短路

    在这里插入图片描述

    静态分析

    图解法

    将上述直流通路改画,得到iC与uCE的关系
    在这里插入图片描述
    根据上式,确定两点即可得到直流负载线,将直流负载线放入输出特性曲线
    在这里插入图片描述
    通常我们通过直流通路基极回路求出IBQ,从而得知确定的特性曲线
    IBQ=(UCC-UBE)/Rb。Si管的UBE为0.6V0.7V,Ge管的UBE为0.2V0.3V;通常为0.7V。

    解析法

    第一步还是画出直流通路,如下
    在这里插入图片描述
    计算顺序为:IB→IC→UCE

    1. IB相当于IBQ,但在解析法中我们通常省略UBE,即IBQ=(UCC-UBE)/Rb=UCC/Rb
    2. 求IC:IC=βIB
    3. 求UCE:UCE=UCC-IC*RC

    电路参数对静态工作点的影响

    以共射极电路图为参考,探究Rb,Rc,UCC对静态工作点的影响。当一个参数变化时,另两个不变

    1. Rb增大,沿负载线下移,反之沿负载线上移
      由于Rb变化影响IBQ而不影响负载线,因此实际上负载线保持不变,而输出特征曲线中的IBQ上移或下移。Rb增大,IBQ减小,则工作点下移,反之上移
    2. Rc减小,右移,反之左移
      从直流负载线的公式中我们可以看到,Rc实际上是他的斜率。Rc减小,负载线更陡,于是工作点右移,反之左移
    3. Ucc增大,直流负载线平行上移,工作点向右上方移动。反之,向左下方移动
      Ucc的改变既影响直流负载线,又影响特征曲线中的IBQ。当UCC增大,IBQ增大,曲线上移;而在直流负载线的截距中都有Ucc,因此直流负载线平行上移,因此工作点向右上方移动;反之向左下方移动

    在这里插入图片描述

    动态分析

    输入交流信号,晶体管的工作状态来回移动

    图解法

    类似静态分析,晶体管的工作状态按交流负载线移动。于是我们首要的任务就是作出交流负载线。
    交流负载线的两个特点:

    1. 必然通过静态工作点。当交流信号为0时,此时的输入信号仅为直流信号,此时为静态工作点。
    2. 斜率由-1/RL’表示,其中RL’=Rc//RL(Rc与RL并联)

    于是,可以通过以下方法作出交流负载线:

    1. 根据斜率做一条辅助线
    2. 求出静态工作点Q
    3. 过Q作一条平行于辅助线的直线,其为交流负载线
    4. 利用交流负载线画出电流、电压波形,或求最大不失真输出电压

    在确定了静态工作点Q后,也可以通过交流负载线在uCE轴上的截距确定交流负载线:截距Ucc’=UCEQ-ICQ*RL’
    在这里插入图片描述
    接下来,我们来确定交流波形
    由于电信号含有直流信号和交流信号,我们得出以下式子:
    在这里插入图片描述
    基极电流ib、集电极电流ic和集电极电压ube的相位相同,而uce与它们相位相反,即输出电压与输入电压相位相反。
    由此即上式可知,从外部进入的信号,到b后基本不变,从c进入的信号基本不变。但从e流出的信号变为反向,而最终这个反向信号放大后被输出

    非线性失真

    主要分为以下三种类型:

    1. 饱和失真:工作点达到了饱和区
    2. 截止失真:工作点达到了截止区
    3. 双向失真:工作点位置何时,但信号过大导致波峰波谷被截掉
    由于特性曲线非线性引起的失真

    输入特性曲线其实弯曲,之后呈线性增长趋势。但如果输入的uBE过小,则一部分IB在弯曲的区间,另一部分在线性区间,导致失真
    通常输出特性曲线的间隔相同,但当其不相同时,比如上疏下密,也会产生失真。
    在这里插入图片描述

    由于静态工作点不合适引起的失真

    主要是饱和失真截止失真
    饱和失真是由于静态工作点设置过高,当ib增大时,ic不会随之增大,而输出电压uCE出现底部失真
    截止失真时由于静态工作点设置过低,输入信号负半周进入截止区,输出电压uCE出现顶部失真
    在这里插入图片描述
    为了避免上述失真的出现,我们引入最大不失真输出电压Umax,即峰-峰电压Up-p:当静态工作点确定后,逐步增大输入信号,晶体管既不进入饱和区,也不进入截止区时所获得最大输出电压

    微变等效电路

    基本思想:当信号变化范围很小,认为晶体管电压、电流的变化量呈线性关系,即输入特性、输出特性可以看作直线。于是用一个线性模型代替晶体管放入电路,构成微变等效电路
    我们用iB,uCE表示uBE,iC,然后进行求微分,注意这里每个量都是交流分量和直流分量的和,但是直流分量的变化量为0,因此进行微分后仍然是0。然后用h11,h12,h21,h22代替微分量,有以下式子
    在这里插入图片描述
    我们从单位对每个h进行分析

    1. h11为输出交流短路的电阻,用rbe表示
      rbe估算如下
      在这里插入图片描述
    2. h12为常数,称为输入交流开路时的电压反馈系数μr
    3. h21为常数,称为输出交流短路时的电流放大系数β,通常直接给出(现实中查晶体管手册可得)
    4. h22为输入交流开路时的导纳,用1/rce表示

    在这里插入图片描述
    需要注意的是:

    1. 等效只对**微变量(交流小信号)**而言。外部直流电源应置零(电压源短路、电流源开路),与微变量有关的部分应保留
    2. 等效电路中的受控电流源βib的数值和方向都取决于基极电流ib,假设ib的电流方向后不可随意改动。若ib流入基极,则βib从集电极流向发射极(如图);反之则从发射极流向集电极
    3. 微变等效电路只适合低频、小信号的晶体管
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    晶体管是我们面对模电题目是常见的,遇到晶体管的分析时,判断晶体管的工作状态很重要,那么接下来,我就以NPN型为例归纳一下自己判断晶体管工作状态的方法,以下图为电路进行分析:
    在这里插入图片描述

    方法一:假设法(以NPN型为例)
    步骤:
    1.比较Ui和晶体管导通电压Ube的大小,若Ui<Ube,则说明晶体管处于截止状态
    2.若Ui>Ube,则晶体管(发射结正偏)导通,且可能处于放大状态或者饱和状态,此时假设晶体管处于放大状态
    3.则此时计算(下列计算均为按照上图电路分析)
    Ib(基极电流)——>Ib=(Ui-Ube)/Rb(Ui为输入电压,Ube为规定晶体管导通电压)
    Ic(集电极电流)——>Ic=βIb(其中β为放大系数)
    Uce(集电极与发射极之间的电压)——>Uce=Uo=Vcc-Ic
    Rc
    4.在得到Uce的情况下通过比较Uce和Ube大小,若Uce>Ube则说明晶体管集电结反偏同时又由上面发射结正偏,则符合放大状态,则假设正确,晶体管处于放大状态
    若Uce<Ube这说明晶体管集电结正偏,则晶体管处于饱和状态
    方法二:电流法(以NPN型为例)
    步骤:
    1.比较Ui和晶体管导通电压Ube的大小,若Ui<Ube,则说明晶体管处于截止状态
    2.若Ui>Ube,则晶体管(发射结正偏)导通,且可能处于放大状态或者饱和状态
    3.则此时计算(下列计算均为按上图电路分析)
    Ics(饱和集电极电流)——>Ics=(Vcc-Uces)/R (式子中Uces为晶体管饱和管压降)
    Ibs(饱和基极电流)——>Ibs=Ics/β
    Ib(此时电路的基极电流)==>Ib=(Ui-Ube)/Rb
    4.比较Ib和Ibs的大小,若Ib>Ibs则说明晶体管此时处于饱和状态
    若Ib<Ibs则说明晶体管此时处于放大状态

    方法三:直接法(以NPN型为例)
    步骤:
    1.读出b(基极),c(集电极),e(发射极)各点的电位
    2.则此时计算:
    Ube1=Ub-Ue(Ube1表示此时电路中的be间电压,而Ube表示晶体管导通电压)
    Ucb=Uc-Ub=Uce-Ube
    3.则若Ube1<Ube,则说明此时晶体管处于截止状态
    若Ube1>Ube,此时Ucb=Uce-Ube>0,则说明晶体管发射极正偏,集电极反偏,处于放大状态
    若Ube1>Ube,此时Ucb=Uce-Ube<0,处于晶体管处于饱和状态

    以上就是自己在学习模电时的判断晶体管工作状态方法总结,对于PNP型大家可以根据NPN型和其性质进行类推,第一次写博客,可能上面写的有纰漏或者疑问争议的地方又或者写的不好,希望大家多多包容哦

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    晶体三极管作为一个常用器件,是构成现代电子世界的重要基石。然而,传统的教科书对其工作原理的讲述却存在有很大问题,使初学者对三极管的工作原理无法正常理解,感到别扭与迷茫。
    晶体三极管原理问题的关键在于:集电结为什么会反向导通?这与晶体二极管原理中强调的PN结单向导电特性(反向截止)严重矛盾。

    三极管原理,传统讲解方法中存在的问题概括起来主要有以下三点:

    1 严重割裂晶体二极管与三极管在原理上的自然联系。没有真正说明三极管集电结为何会发生反偏导通并产生Ic?这看起来与二极管原理强调的PN结单向导电性相矛盾。
    2 不能说明放大状态下集电极电流Ic为什么只受控于电流Ib而与电压无关;即:Ic与Ib之间为什么存在着一个固定的放大倍数β关系。
    3 不能说明饱和状态下,Vc电位很弱的情况下,为什么集电结仍然会反向导通并且有反向大电流Ic通过。


    很多教科书对于这部分内容,在讲解方法上都存在有很大问题。有一些针对初、中级学者的普及性教科书,干脆采用了回避的方法,只给出结论却不讲原因。既使专业性很强的教科书,采用的讲解方法大多也存在有很值得商榷的问题。这些问题集中表现在讲解方法的切入角度不恰当,致使逻辑混乱,讲解内容前后矛盾,甚至造成讲了还不如不讲的效果,使很多初学者常常产生一头雾水的感觉。
    笔者根据多年的总结思考与教学实践,对于这部分内容摸索出了一个适合于自己教学的新讲解方法,并通过具体的教学实践收到了一定效果。虽然新的讲解方法也肯定会有所欠缺,但本人还是怀着与同行共同探讨的愿望不揣冒昧把它写出来,以期能通过同行朋友的批评指正来加以完善。

    一、 传统讲法及问题:

    传统讲法一般分三步,以NPN型为例(以下所有讨论皆以NPN型硅管为例),如示意图A。“1 发射区向基区注入电子;2 电子在基区的扩散与复合;3 集电区收集由基区扩散过来的电子。”

    问题1:这种讲解方法在第3步中,讲解集电极电流Ic的形成原因时,不是着重地从载流子的性质方面说明集电结的反偏导通,从而产生了Ic,而是极不恰当地着重地强调了Vc的高电位作用,同时又强调基区的薄。这种强调很容易使人产生误解——以为只要Vc足够大基区足够薄,集电结就可以反向导通,PN结的单向导电性就会失效。这是让初学者很容易产生一系列模糊认识的根源。 
    这正好与三极管的电流放大原理严重地矛盾。三极管的电流放大原理恰恰要求在放大状态下Ic与Vc在数量上必须无关,Ic只能受控于Ib。

    问题2:不能很好地说明三极管的饱和状态。当三极管工作在饱和区时,Vc的值很小甚至低于Vb,此时仍然出现了很大的反向饱和电流Ic,也就是说在Vc很小时,集电结仍然会出现反向导通的现象。这很明显地与传统讲法中强调Vc的高电位作用这种说法相矛盾。

    问题3:传统讲法第2步过于强调基区的薄,还容易给人造成这样的误解,以为只要基区足够薄,集电结就可能会失去PN结的典型特性——单向导电。这显然与人们利用三极管内部两个PN结的单向导电性,来判断三极管管脚名称(e、b、c)的经验相矛盾。既使基区很薄,人们判断管脚名称时,也并没有发现因为基区的薄而导致PN结单向导电性失效的情况。基区很薄,但两个PN结的单向导电特性仍然完好无损,这才使得人们有了判断三极管管脚名称的办法和根据。

    问题4:在第2步讲解为什么Ic会受Ib控制,并且Ic与Ib之间为什么会存在着一个固定的比例关系时,不能形象说明。只是从工艺上强调基区的薄与掺杂度低,不能从道理上根本性的说明电流放大倍数β什么会保持不变的原因。

    问题5:割裂二极管与三极管在原理上的自然联系,无法实现内容上的自然过渡。甚至使人产生很矛盾的感觉,二极管原理强调PN结的正向导电反向截止,而三极管原理则又要求PN结能够反向导通,这让人很难接受。同时,也不能体现晶体三极管与电子三极管之间在电流放大原理上的历史联系。

    二、新讲解方法:

    1、切入点:
    要想很自然地说明问题,就要选择恰当的切入点。讲三极管的原理我们从二极管的原理入手讲起。二极管的结构与原理都很简单,内部一个PN结具有单向导电性,如示意图B。很明显图示二极管处于反偏状态,PN结截止。我们要特别注意这里的截止状态,实际上PN结截止时,总是会有很小的漏电流存在,也就是说PN结总是存在着反向关不断的现象,PN结的单向导电性并不是百分之百。

    为什么会出现这种现象呢?这主要是因为P区除了因“掺杂”而产生的多数载流子“空穴”之外,还总是会有极少数的本征载流子“电子”出现。N区也是一样,除了多数载流子电子之外,也会有极少数的载流子空穴存在。PN结反偏时,能够正向导电的多数载流子被拉向电源,使PN结变厚,多数载流子不能再通过PN结承担起载流导电的功能。所以,此时漏电流的形成主要靠的是少数载流子,是少数载流子在起导电作用。反偏时,少数载流子在电源的作用下能够很容易地反向穿过PN结形成漏电流。漏电流只所以很小,是因为少数载流子的数量太少。

    很明显,此时漏电流的大小主要取决于少数载流子的数量。如果要想人为地增加漏电流,只要想办法增加反偏时少数载流子的数量即可。所以,如图B,如果能够在P区或N区人为地增加少数载流子的数量,很自然的漏电流就会人为地增加。其实,光敏二极管的原理就是如此。光敏二极管工作在反偏状态,因为光照可以增加少数载流子的数量,因而光照就会导致反向漏电流的改变,人们就是利用这样的道理制作出了光敏二极管(见下图)。

    既然此时漏电流的增加是人为的,那么漏电流的增加部分也就很容易能够实现人为地控制。

    2、强调一个结论:
    讲到这里,一定要重点地说明PN结正、反偏时,多数载流子和少数载流子所充当的角色及其性质。正偏时是多数载流子载流导电,反偏时是少数载流子载流导电。所以,正偏电流大,反偏电流小,PN结显示出单向电性。
    特别要重点说明,反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的,甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。

    即:PN结反偏时,截止的只是多数载流子的电流。而对于少数截流子的通过,PN结不仅不截止,一定程度上反而还会更加容易。

    为什么呢?大家知道PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场,而内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向通过,所以,多数载流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用,需要约0.7伏的外加电压,这也是PN结正向导通的门电压。而反偏时,内电场在电源作用下会被加强也就是PN结加厚,少数载流子反向通过PN结时,内电场作用方向和少数载流子通过PN结的方向一致,也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有阻碍作用,甚至还会有帮助作用。这就导致了以上我们所说的结论:反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的,甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。这个结论可以很好解释前面提到的“问题2”,也就是教科书后续内容中要讲到的三极管的饱和状态。三极管在饱和状态下,集电极电位接近或稍低于基极电位,集电结处于零偏置,但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic产生。

    3、自然过渡:
    继续讨论图B,PN结的反偏状态。利用光照控制少数载流子的产生数量就可以实现人为地控制漏电流的大小。既然如此,人们自然也会想到能否把控制的方法改变一下,不用光照而是用电注入的方法来增加N区或者是P区少数载流子的数量,从而实现对PN结的漏电流的控制。也就是不用“光”的方法,而是用“电”的方法来实现对电流的控制。注2

    接下来重点讨论图B中的P区。重点看P区,P区的少数载流子是电子,要想用电注入的方法向P区注入电子,最好的方法就是如图C所示,在P区下面再用特殊工艺加一块N型半导体注3。图C所示其实就是NPN型晶体三极管的雏形,其相应各部分的名称以及功能与三极管完全相同。为方便讨论,以下我们对图C中所示的各个部分的名称直接采用与三极管相应的名称(如“发身结”,“集电极”等)。

    再看示意图C,图中最下面的发射区N型半导体内电子作为多数载流子大量存在,而且,如图C中所示,要将发射区的电子注入或者说是发射到P区(基区)也是很容易的,只要使发射结正偏即可。具体说就是在基极与发射极之间加上一个足够的正向的门电压(约为0.7伏)就可以了。在外加门电压作用下,发射区的电子就会很容易地被发射注入到基区,这样就实现了对基区少数载流子——“电子”的注入,使其在数量上发生改变。

    4、集电极电流Ic的形成:
    如图C,发射结加上正偏电压导通后,在外加电压的作用下,发射区的多数载流子——电子就会很容易地被大量发射进入基区。这些载流子一旦进入基区,它们在基区(P区)的身份仍然属于少数载流子的性质。如前所述,少数载流子很容易反向穿过处于反偏状态的PN结。所以,这些载流子——电子就会很容易向上穿过处于反偏状态的集电结到达集电区形成集电极电流Ic。由此可见,集电极电流的形成并不是一定要靠集电极的高电位。
    集电极电流的大小更主要的要取决于发射区载流子对基区的注入,取决于这种发射与注入的程度。这种载流子的发射注入程度几乎与集电极电位的高低没有什么关系。这正好能自然地说明,为什么三极管在放大状态下,集电极电流Ic的大小与集电极电位Vc在数量上无关的原因。

    放大状态下Ic并不受控于Vc,Vc的作用主要是维持集电结的反偏状态,以此来满足三极管放状态下所需要的外部条件。
    对于Ic还可以做如下结论:Ic的本质是“少数载流子”电流,是通过电注入方法而实现的人为可控的集电结“漏”电流。这就是Ic为什么会很容易反向穿过集电结的原因。

    5、Ic与Ib的关系:

    很明显,对于三极管的内部电路来说,图C与图D是完全等效的。图D就是教科书上常用的三极管电流放大原理示意图。

    看图D,接着上面的讨论,集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关,主要取决于发射区载流子对基区的注入程度。

    通过上面的讨论,现在已经明白,NPN型三极管在电流放大状态下,内部的电流主要就是由发射区经基区再到集电区贯穿整个三极管的“电子”流。也就是说贯穿三极管的电流Ic主要是“电子”流。这种贯穿的电子流,其情形与历史上的电子三极管非常类似。如图E,图E就是电子三极管的原理示意图。电子三极管的电流放大原理因为其结构的直观、形象,可以很容易很自然地得到解释。

    如图E所示,很容易理解,电子三极管Ib与Ic之间的固定比例关系,主要取决于电子管栅极(基极)的构造。当外部电路条件满足时,电子三极管工作在放大状态。穿过管子的电流主要是由发射极经栅极再到集电极的电子流。电子流在穿越栅极时,栅极会对其进行截流。截流时就存在着一个截流比问题。

    很明显,截流比的大小,则主要与栅极的疏密度有关。如果栅极做的密,它的等效截流面积就大,截流比例自然就大,拦截下来的电子流就多。反之截流比小,拦截下来的电子流就少。

    栅极拦截下来的电子流其实就是电流Ib,其余的穿过栅极到达集电极的电子流就是Ic。从图中可以看出,只要栅极的结构尺寸确定,那么截流比例就确定,也就是Ic与Ib的比值确定。所以,只要管子的内部结构确定,这个比值就确定,就固定不变。由此可知,电流放大倍数的β值主要与栅极的疏密度有关。栅极越密则截流比例越大,相应的β值越低,栅极越疏则截流比例越小,相应的β值越高。
    晶体三极管的电流放大关系与电子三极管在这一点上极其类似。

    晶体三极管的基极就相当于电子三极管的栅极,基区就相当于栅网,只不过晶体管的这个栅网是动态的是不可见的。放大状态下,贯穿整个管子的电子流在通过基区时,分布在基区的空穴其作用与电子管的栅网作用相类似,会对电子流进行截流。如果基区做得薄,掺杂度低,基区的空穴数少,那么空穴对电子的截流量就小,这就相当于电子管的栅网比较疏一样。反之截流量就会大。很明显只要晶体管三极管的内部结构确定,这个截流比也就确定。所以,为了获大较大的电流放大倍数,使β值足够高,在制作三极管时才常常要把基区做得很薄,而且其掺杂度也要控制得很低。

    与电子管不同的是,晶体管的截流主要是靠带正电的“空穴”不断地与带负电的“电子”的中和来实现。所以,截流的效果主要取决于基区空穴的数量。而且,这个过程是个动态过程,“空穴”不断地与“电子”中和,同时“空穴”又会不断地在外部电源作用下得到补充。

    在这个动态过程中,空穴的等效总数量是不变的。基区空穴的总数量主要取决于掺“杂”度以及基区的厚薄,只要晶体管结构确定,基区空穴的总定额就确定,其相应的动态总量就确定。这样,截流比就确定,晶体管的电流放大倍数β值就是定值。这就是为什么放大状态下,三极管的电流Ic与Ib之间会有一个固定的比例关系的原因。

    另外,由于集电结处于反偏状态,而PN结反偏时本质上截止的是多数载流子的电流,所以,基区的多数载流子“空穴”就不可能会反向穿过集电结到达集电区。这样,就保证了穿越三极管到达集电极的电流只能是百分之百的“电子”流,不可能混有“空穴”流。基区的“空穴”只能起到动态的截流作用,只能形成固定比例的截流电流Ib,而不可能混入电子流Ic中。综上所述,三极管电流放大倍数β就只能是定值。

    6、对于截止状态的解释:
    现在,我们已经理解了放大状态下,Ic与Ib之间有一个固定的比例关系。这个比例关系说明,放大状态下电流Ic按一个固定的比例受控于电流Ib,这个固定的控制比例主要取决于晶体管的内部结构。
    对于Ib等于0的截止状态,问题更为简单。当Ib等于0时,说明外部电压Ube太小,没有达到发射结的门电压值,发射区没有载流子“电子”向基区的发射与注入,所以,此时既不会有电流Ib,也更不可能有电流Ic。另外,从纯数学的电流放大公式更容易推出结论,Ic=βIb,Ib为0,很显然Ic也为0。

    三、新讲法需要注意的问题:

    以上,我们用了一种新的切入角度,对三极管的原理在讲解方法上进行了探讨。特别是对晶体三极管放大状态下,集电结为什么会反向导电形成集电极电流做了重点讨论。同时,对三极管的电流放大倍数β为什么是定值也做了深入分析。


    这种讲解方法的关键,在于强调二极管与三极管在原理上的自然联系。从二极管PN的反向截止特性曲线上很容易看出,只要将这个特性曲线转过180度,如图F所示,它的情形与三极管的输出特性非常相似,三极管输出特性如图G所示。实际上,图F代表是PN结的反向截止特性,那么,图G所示所代表的是晶体三极管内部集电结对于不同的Ib值时的反向特性,是集电结的一组反向特性。这表明二极管与三极管在原理上确实存在着很自然的联系。所以,在讲解方法上选择这样的切入点,从PN结的反偏状态入手讲解三极管,就显得非常自然合理。而且,这样的讲解会使问题变得浅显易懂,前后内容之间也显得自然和谐、顺理成章。


    这种讲法的不足点在于,从PN结的漏电流入手讲起,容易造成本征漏电流与放大电流在概念上的混肴。所以,在后面讲解晶体管输入输出特性曲线时,应该注意强调说明“本征载流子”与“掺杂载流子”的性质区别。本征载流子对电流放大没有贡献。本征载流子的电流对晶体管的特性影响往往是负面的,是需要克服的。晶体管电流放大作用主要是靠掺杂载流子来实现的。要注意在概念上进行区别。


    另外,还要注意说明,本质上晶体内部有关载流子的问题其实并非如此简单,它涉及到晶体的能级问题以及晶体的能带结构问题,还有载流子移动时的势垒分析等。所以,并不是随便找一些具有载流子的导体或半导体就可以制成PN结,从而进一步制成晶体管。晶体管实际的制造工艺也并非如此简单。


    本文这样的讲解方法主要是在不违反物理原则的前提下,试图把问题尽量地简化,尽量做到浅显易懂、自然合理,以便于人们的理解与接受。这才是这种讲解方法的主要意义所在。

    附篇:
    请问,这篇大作把三极管的放大和截止两个状态阐述其机理挺明白了。那么还有第三个状态,饱和状态是怎么一个情况?
    1.三极管饱和状态是通过外部偏置电阻等预先设置好,通电后直接进入这个饱和状态的吗?
    2.三极管处于饱和状态时,集电结施加正偏电压后,基区及集电区各载流子的运动状态是怎样的?我怎么觉得两个PN结都处于正偏置状态,感觉怪怪的呢?少数载流子怎么流动的?已经加的正偏电压 了,怎么还说是“反向导通”呢?
    3.三极管饱和状态,集电极到发射极的电压为什么只有0.3V? 请把基极到发射极,集电极到发射极之间的电压用图示表示出来一下吧。难道发射结跟集电结的势垒不一样大? 集电结如果是0.4,那么为什么发射结是0.7V?真是奇怪了。

    你的问题很好!这也是三极管原理不好理解的关键之所在,也是传统讲法的问题之所在。饱和状态时,集电极(NPN)的高电位已不存在(为零),如你所说甚至低于基极电位,但仍然有很大的饱和电流反向通过集电结。注意,这里所说的“反向”是指电流的方向与集电结的单向导电(P指向N)的方向相反,电流的性质也仍然是由发射极“发射”过来的“少数截流子”电流。值得强调的是:集电结对这个反向的少子电流本质上没有阻碍作用,集电结作为PN结反向截止的只是“多子”电流,而不是“少子”电流。下面按你问题的顺序来逐条说一下:

    1 三极客的饱和状态确实取决于外部偏置电阻电路,但不一定需要事先设置好。如,当集电极电阻的参数处在合适范围时,三极客是否进入饱和状态主要取决于基极的控制。开关型三极管就是这样工作的,要么截止要么饱和,取决于基极的控制。

    2 三极客处于饱和状态时,两个PN结不是“都”处于正偏状态,发射结是正偏状态,要特别注意的是集电结,集电结电压虽然可以为正但决不能达到门值,所以集电结并不是正偏状态。如果集电结的正电压达到门值,则反向的集电结(极)“少子”电流将消失,取而代之的就是由基极指向集电极的“正向多子”电流,这时的三极管就完全等效成了两个二极管,这个正向多子电流纯粹就是集电结的一个正向导通电流(即二极管电流),而不再具备集电极电流的任何意义。

    所以,饱和状态条件下,发射结是正偏,集电结是“零”偏并不是正偏,因此,集电极的电流仍然是以发射区过来的“少子”构成,属于少子反向导通电流。为什么说是反向,前已说明。
    3 饱和状态下三个电极的电位值问题与上面所说类似,要特别注意的是:此时的集电结并不是普通意义上的正偏导通,这与发射结的正偏导通有着本质的不同。此时,发射结正偏导通的电流是“多子”在门电压作用下的正向通过PN结的电流,是普通意义上的PN结正向电流;而集电结此时是“零”偏,集电结通过的电流是属于“少子”性质的反向电流。所以,两个PN结的电流对于PN结自身来说是性质完全不同的电流,因此,其电压值一个是0.7V而另一个是0.4V根本就无可比性,这是两个不同性质的外部条件参数,虽然都是电压,但性质不同。一个是正向导通的门电压,而另一个是满足饱和状态的“零”偏电压,只有在此条件下,集电极电流才会在定量上脱离的基极电流的“比例”控制进入所谓的饱和状态。 

    简单说,两个PN结都导通,一个是正向导通性,另一个是反向导通性质。正向导通的是多子电流,需要0.7V的门电压,另一个导通的是少子反向电流,这个少子的反向电流导通时不仅可以不需要电压,甚至还可以承受一点微弱的“逆流”电压,你说的那个0.4V就是属于这种性质的电压。

    再举个不太恰当的例子,如果把整个三极管比做一个水龙头,发射结的门电压则是控制这个水龙头是否出水的关键,而集电结电压只是水龙头究竟该怎样出水、如何出水的一个条件。发射结加上门电压,这个水龙头就打开了。此时,如果集电结加反偏电压,这个反偏电压其实正好符合水龙头的出水方向,所以它对出水有定性方面的帮助,只是出水的量则要按严格比例受控于Ib,可大可小,这就是放大状态;如果集电结加零压,则出水量就会失去比例控制,这也就是所谓的饱和状态(其实,这时的出水量并不见得一定会比放大状态时大,很有可能还很小,其大小主要取决于Uce);如果集电结加上合适的“正偏”电压(此时正偏电压对出水起反作用),比如:稍大于0.4V但又小于0.7V,这个水龙头就会停止出水,为什么?因为发射结打开的这个水流又被这个合适的正偏逆流电压给堵回去了。显然,如果这个正偏电压超过了0.7V,这个水龙头的水流就会倒着流了。不知我这样说,是否更容易让人明白。

    最后,再说一下你关于势垒的问题,两个PN结的势垒理论上应该完全对称(忽略其内部结构并不严格对称的影响),当两个PN结都加上正向偏置的门电压后,这一情况理论上完全如此——对称。但这里的问题是两上PN结的导通性质完全不同,这一点以上已详细说明,所以,才会出现你说的0.7V与0.4V不一样的所谓问题。0.7V是PN结的正偏导通电压,而0.4V的正向电压如上所述,只是集电结为了堵住反向少子电流通过PN结的一个电压值。显然,这两个电压性质完全不同。

    根据我自己的一管之见,我啰啰嗦嗦地说了这么多,希望对你能有所帮助。最后,谢谢你的问题,看得出你也是个非常认真的人,能与你这样的网友讨论问题,是让我感到非常愉快的事。

    请问,三极管的饱和情况分析,按照上面的那个输出特性曲线,怎么分析呢?沿某一确定IB电流吗?怎么通过上面这个输出特性分析饱和状态?是怎么进入饱和状态的?因为输出特性曲线是分别让IB和UCE改变后得到的一个曲线。如果是一个电路以及固定了,是不是得用带有负载线的曲线图进行分析是否进入饱和状态的?
    另外可以用电工学上的线性叠加方法来计算饱和状态的电流情况吗?

    我们以最常见的三极管输出特性图(Ib与Uce及与Ic的关系图)来说,就是当Ib足够大而Uce又足够小时就会进入饱和状态。或者再简单点,让Uce确定,比如为0.4V,从图中很容易就可看出只要Ib大到一定值,三极管就会进入饱和状态,所谓的饱和状态,也就是Ic在数量上不再与Ib保持严格比例的状态。
    我认为,在外电路条件满足时,饱和状态下的电流计算当然可以根据线性方法来计算,因为,饱和状态下的三极管在电路中可以等效为一个接通了的开关。

    这里不方便画图,我只能说这些,希望能对你有帮助。


    上文引用链接:http://www.360doc.com/content/15/0903/15/2428535_496647670.shtml



    文章原版链接:http://blog.sina.com.cn/s/blog_60c4c4e90100fg23.html  【电缆学校郑老师的博客




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    在信息化社会,充分有效地管理和利用各类信息资源,是进行科学研究和决策管理的前提条件。数据库技术是管理信息系统、办公自动化系统、决策支持系统等各类信息系统的核心部分,它也是进行科学研究和决策管理的重要技术手段。

    因此,为了深入地对晶体学进行研究和探索,几个著名的晶体学数据中心相继被建立。这些数据中心的主要作用之一是收集、储存和提供已知化合物的晶体结构数据。因此,越来越多的科学杂志在发表论文前,把论文有关的晶体学参数、化合物分子式、晶胞参数、空间群、原子坐标及其原子位移参数、精修结果参数等,以电子版的形式存放到这些著名的国际晶体学数据中心。

    So,本期的干货就是:对晶体学数据库来个大盘点吧!

    五大晶体学数据库

    1. 剑桥结构数据库(The Cambridge structural Database, CSD )(英国)

    位于英国剑桥大学的剑桥晶体数据中心(Cambridge Crystallographic Data Centre, CCDC)自1965年起就从事晶体数据的收集、整理与计算机化的工作。

    CCDC提供的剑桥晶体结构数据系统(Cambridge Structural Database System, CSDS)是该中心同美国Brookhaven国家实验室合作的成果,基本上包括已发表的所有原子个数(包括氢原子)在500以内的有机及金属有机化合物晶体数据,并对收集的数据进行严格评审。

    CCDC目前提供的CSDS 包括剑桥结构数据库(Cambridge Structural Database, CSD)是基于X射线和中子衍射试验唯一的有机小分子及有机金属分子晶体结构数据库。它只收集并提供具有C-H键的所有晶体结构,包括有机化合物、金属有机化合物、配位化合物的晶体结构数据。

    图1 CCDC

    2. 蛋白质数据库(The Protein Data Bank, PDB)(美国)

    PDB是目前最主要的收集生物大分子(蛋白质、核酸和糖)2.5维(以二维的形式表示三维的数据)结构的数据库,是通过X射线单晶衍射、核磁共振、电子衍射等实验手段确定的蛋白质、多糖、核酸、病毒等生物大分子的三维结构数据库。

    图2 PDB

    3. 无机晶体结构数据库(The Inorganic Crystal Structure Database, ICSD)(德国)

    ISCD收集并提供到目前为止所有试验测定的、除了金属和合金以外、不含C–H键的无机物晶体结构的信息,包括化学名和化学式、矿物名和相名称、晶胞参数、空间群、原子坐标、热参数、位置占位度、R因子及有关文献等各种信息。

    该数据库从1913年开始出版,至今已包含近10万条化合物目录。每年更新两次,每次更新会增加2000种新化合物,所有的数据都是由专家记录并且经过几次的修正,是国际最权威的无机晶体结构数据库。它和剑桥结构数据库(CSD)是国际上重要的两大晶体学数据库。

    Imp:ICSD也推出了自己的检索工具,名为FindIt,是商业化的软件,如果你愿意的话可以购买这个软件或者登录(http://icsd.fiz-karlsruhe.de)去索要晶体结构信息,有时它甚至比CCDC更加常用。

    图3 ICSD

    4. 金属和合金晶体数据库(Metals and Alloys Crystallographic Database, CRYSTMET)(加拿大)

    CrystMet数据库目前由托特信息系统维护,包含金属、合金和金属间化合物的晶体学信息。通过访问crystalworks网站能够搜索CrystMet。里面收集了1913年以来金属单质、金属化合物和固溶体的晶体数据,包括金属元素与硼、硫、硅、锗等元素的化合物。目前在该库中约有 60000多个条目,每一条目存储一种晶体的信息。其中大约80% 以上的条目存有原子坐标,其余的条目只包含晶胞参数和空间格子类型的信息。

    图4 CRYSTMET

    5. JCPDS-国际衍射数据中心的粉晶数据库(JCPDS-International Center for Diffraction Data, JCPDS-ICDD)(美国)

    国际衍射数据中心?(The International Centre for Diffraction Data)(ICDD?)是一个非盈利的科学组织,致力于收集、编辑、出版和发行用于晶态材料鉴定的粉末衍射数据。粉末衍射文件中包含了760019多个唯一的材料数据条目。在该库中,每一种单相物质都有一套资料,包括晶体名称、化学成分、参考文献、收集衍射数据时的实验条件、各条粉晶衍射的 d-I/I1 值等。这些资料除了在卡片上可提供检索外,还记录在磁带和磁盘上,便于用电子计算机进行自动检索。

    图5 ICDD

    更多数据库……

    6.开放晶体结构数据库(Crystallography Open Database, COD)

    COD是储存晶体学数据、原子坐标参数以及详细的化学内容和参考文献的、以计算机控制管理的数据库。它对所收集的大量分子结构数据进行了全面的、广泛的整理、核对和质量评价,因此它所提供的数据要比原始文献更为准确。这些信息由可靠的、恰当的软件管理,可以方便地检索、筛选和进行系统的分析,还可对数据进行加工并绘成各种规格的图形。

    晶体结构数据库的作用为:①获得精确的分子几何图形信息;②检索给定几何形状的分子;③绘制构象变化过程的图象;④从分子几何形状决定其电子性质;⑤分析分子间的相互作用;⑥推断一些反应的机理。

    图6 COD

    7. 矿物拉曼光谱、x射线衍射和化学数据的综合数据库(the RRUFF Project website containing an integrated database of Raman spectra, X-ray diffraction and chemistry data for minerals, RRUFF)

    RRUFF项目是创建一套完整的矿物质高质量光谱数据,并且和世界分享这些正在开发的技术信息。RRUFF可以查询各种矿物的晶体学数据。

    图7 RRUFF

    8. 化学物质结构数据库(Chemical Structure Lookup Service, CSLS)

    CSLS的原理是从多个免费化学数据库中查找数据。你可以通过名称、结构和一系列的分子特征查找超过两千七百万种化合物。搜索结构中会包括有你所要搜索的分子的数据库的链接。

    图8 CSLS

    9. 有机化合物数据库(the Organic Compounds Database, OCD)

    OCD中包括2483种有机化合物数据。

    图9 OCD

    10. 有关空间群、超空间群的数据库(Bibao Crystallographic Server, BCS)

    BCS中包括空间群检索工具、磁对称及应用、集团-空间群的子群关系、交涉和毕尔巴鄂不适应晶体结构数据库等。

    图10 BCS

    11. 物理学参考数据(Physical Reference Data, PRD)

    PRD中包括元素数据索引、元素的原子属性、物理常数、原子光谱数据、分子光谱数据、原子和分子数据、X射线和伽马射线数据、辐射剂量测定数据、核物理数据和凝聚态物理数据等。

    图11 PRD

    12. 原子散射因子数据库

    图12 原子散射因子数据库

    13. 元素X射线特征表

    通过单击元素名称的任何按钮,来获得其X射线的属性。

    图13 元素X射线特征表

    14. 化学元素周期表(The Periodic Table by WebElements, PTW)

    根据原子序数对化学元素从小至大排序,得到元素性质的递变规律和元素之间的内在联系。

    图14 PTW

    15. 化学元素物性周期表

    图15 化学元素物性周期表

    16. 矿物晶体结构数据库(Mineral crystal structure database, MCSD)

    MCSD中包括矿物卡号码、矿物名称、晶体化学式、晶体结构特点、矿物分类、矿物化学成分和晶体结构参数。

    图16 MCSD

    17. 美国矿物学家晶体数据库(American Mineralogist Crystal Structure Database, AMCSD)

    这个网站是一个包括发表在美国矿物学家,加拿大矿物学家,欧洲矿物学和物理化学矿物学报,以及从其他期刊中选取数据集的晶体结构数据库的接口。该数据库是由美国矿物学会和加拿大矿物学协会监管,以及由美国国家科学基金会资助。数据库提供交互式软件套件,可以用于查看和设置晶体结构和计算晶体的不同性质,例如几何形状,衍射图案,和晶体电子密度。

    图17 AMCSD

    18. 沸石结构数据库(the Database of Zeolite Structures, DZS)

    DZS提供了所有沸石骨架类型的结构信息,其中包括每个框架式的说明和图纸、晶体学数据和代表性材料模拟粉末衍射图案、建筑模型的详细说明、无序沸石结构的的描述等。

    图18 DZS

    19. 矿物结构数据库( Mineral Structures Database, MSD)

    MSDB包含大多数岩石形成矿物的晶体和其物理性质的数据。

    图19 MSD

    20. 矿物学数据库(Mineralogy Database, MD)

    MD包含4714个独立的矿物物种的链接和一个全面的图像库描述。每种矿物有链接到专门晶体表,晶体结构,X射线粉末衍射,化学成分,物理和光学性质,Dana的新的分类,Strunz分类,矿物标本图像和矿物种类的字母顺序列表的页面,也包含一些广泛联系矿物的数据和信息等外部来源。

    图20 MD

    21. 矿物学数据库(Mindat.org)

    分享一切对矿物有关的知识。

    图21 Mindat.org

    22. 雅典矿物数据库(Athena Mineral, AM)

    雅典矿物搜索中包括矿物名称、矿业集团和模式产地等。

    图22 AM

    23. 印地安那大学分子结构中心分子结构数据库(Molecular Structure Center, MSC)

    图23 MSC

    24.晶体之星晶体学数据库【汇总】

    图24 晶体之星

    欢迎大家来补充。

    来源:材料人

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空空如也

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