如何真正理解三極管伏安特性曲線在飽和區的含義

初次學習三極管工作原理的時候,往往會對三極管的伏安特性曲線非常困惑,特別是飽和區的性質,本文就討論這方面的內容。

三極管的工作電路如圖所示。

如何真正理解三極管伏安特性曲線在飽和區的含義

圖一 三極管工作電路

按照上述電路得出三極管的伏安特性如圖所示。

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教科書中一般都這樣描述三極管的三個工作區:

1、截止區:三極管工作在截止狀態,當發射結電壓Ube小於0.6—0.7V的導通電壓,發射結沒有導通集電結處於反向偏置,沒有放大作用。

2、放大區:三極管的發射極加正向電壓(鍺管約為0.3V,硅管約為0.7V),集電極加反向電壓導通後,Ib控制Ic,Ic與Ib近似於線性關係

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3、飽和區:當三極管的集電結電流IC增大到一定程度時,再增大Ib,Ic也不會增大,超出了放大區,進入了飽和區。

上面三個工作區中,截止區和放大區的原理和曲線都好理解,本文不討論。唯獨飽和區,會讓大多數同學感到非常困惑,按照上面教科書關於飽和區的解釋,是說在這個區域中Ic不再隨著Ib的增大而增大,但觀察飽和區的曲線,那不都是一根根斜率很大的曲線嗎?也就是說,在這個區域中,Ic不僅不是沒有隨著Ib的增大而增大,而是隨著Ib的增大,自己增大的速率反而比放大區的更快,原因在哪裡呢?

下面對這個問題予以詳細解答。

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首先看上面這個圖。我們選取

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這根曲線位於放大區的那一段,就是圖中加了黃色的那部分。首先澄清一個概念:這部分代表的電路Ib變化了嗎?沒有吧,因為整根曲線代表的始終是

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,對不對?那麼,這和飽和區的Ic不再隨著Ib的增大而增大這個問題有關係嗎?沒有吧,因為這部分曲線代表的Ib從來就沒變過,對不對?那這部分看起來很陡峭又代表什麼意思呢?首先,我們看到,黃色的這部分,是不是位於

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很小的區域?而且這一部分,Ic的變化速率很快,是不是?還有剛才說的,Ib根本就沒變,對嗎?所以,把這三者結合起來,這段黃色曲線部分代表的含義是:在

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很小的前提下,在Ib不變的基礎上,Ic隨著

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的變化而快速增加,對嗎?自己仔細想一下。

好了,既然這部分不是代表Ic不再隨著Ib的增大而增大這個意思,那又怎麼看得出飽和區具有這個特點呢?首先,要解釋這個問題,Ib首先要變化,對嗎?因此,我們分別在Ib不同的兩根曲線上分別取兩個點,如圖所示,

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圖中的兩個黑色圓點是不是一個代表Ib=80uA,一個代表Ib=40uA?Ib變化了,是嗎?那麼,又怎麼說是Ic不再隨著Ib的增大而增大呢?我們注意一下,上下兩個黑點對應的Ic是不是分別為2mA和1.2mA左右?兩者是不是隻變化了0.8mA左右?再看放大區,Ib等於80uA的那部分曲線所對應的Ic是不是3.8mA左右,而40uA的那根是不是1.8mA左右?兩者是不是變化了2mA左右?那麼,在Ib同樣變化40uA的前提下,Ic是在放大區改變的幅度大呢?還是在飽和區?如果再把黑色的兩個圓點向著縱軸的方向平行移動,Ic的變化幅度是不是更小?那麼,在飽和區,Ic不再隨著Ib的增大而增大這樣的說法有問題嗎?

好了,我們已經解決了那個令人困惑的問題,那麼,在飽和區,還有一個前面提到的這個現象:

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為什麼會有這個現象呢?參考圖一,我們知道,Ic的形成,是因為發射區和集電區的電子由發射極向集電極的運動而產生,而要產生這個電流,首先必須Vb要大於Ve,也就是發射結正偏,才能把發射區的電子吸引到基區;然後,Vc必須大於Vb,也就是集電結反偏,這樣,才能進一步把已經被從發射區吸引到基區的電子,進一步吸引到集電極,從而形成Ic。但在飽和區的時候,

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很小,也就是Vc很小,比如0.3伏(Ve接地始終等於0),但Vb為了保證三極管導通,至少要大於0.7伏,因此,在飽和區的時候,其集電結也正偏了,那麼,此時已經被從發射區吸引到基區的電子,再加上由於集電結也正偏而從集電區吸引到的電子,就大量聚集在基區附近而無法到達集電極,從而無法形成Ic。這個時候當Vc稍微增大的時候,就必然有大量電子被吸引到集電極,從而導致Ic的迅速增大,道路就如同一扇大門裡面關住了很多急於出去的人,這個時候如果大門開了那麼一點點,那些擠在門口的人,就必然盡力奪門而出一樣。還要深究下去,就自己去分析

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這個二極管的伏安特性方程在u很小的時候斜率的變化情況。


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