晶体三极管的输入、输出特性曲线

　　三极管的特性曲线是指三极管各极上的电压和电流之间的关系曲线，是三极管内部性能的外部表现。从使用三极管的角度来说，了解它的特性曲线是重要的。由于三极管有两个PN结，因此它的特性曲线不像二极管那样简单。最常用的有输入特性和输出特性曲线两种，在实际应用中，通常利用晶体管特性图示仪直接观察，也可用图1的电路进行测试逐点描绘。
　　（一） 输入特性曲线
　　输入特性是指，当三极管的集电极与发射极之间电压UCE保持为某一固定值时，加在三极管基极与发射极之间的电压UBE与基极电流IB之间的关系。
　　以3DG130C为例，按图1实验电路测试。当UCE分别固定在0和1伏两种情况下，调整RP1测得的IB和UBE的值，列于表1。它的输入特性曲线，如图2所示。为了说明输入特性，图中画出两种曲线，表示UCE不同的两种情况。但两条线不会同时存在。

　　图1 晶体三极管输入、输出特性实验电路 图2 晶体三极管输入特性曲线

　　表1 三极管输入特性数据

　　1. 当UCE＝0伏时，也就是将三极管的集电极与发射极短接，如图3所示，相当于正向接法的两个并联二极管。图2中曲线A的形状跟二极管的正向伏安特性曲线非常相似， IB和UBE也是非线性关系。
　　2. 当UCE＝1伏时，集电结反偏，产生集电极电流IC，在相同的UBE条件下，基极电流IB就要减小。（图2中a点降到b点），因此曲线B相对曲线A右移一段距离。可见， UCE对IB有一定影响。当UCE＞1伏以后， IB与UCE几乎无关，其特性曲线和UCE＝1伏那条曲线非常接近，通常按UCE＝1伏的输出特性曲线分析。

　　图3 UCE＝0时的等效电路 图4 3AX52B的输入特性曲线
　　图4是3AX52B锗三极管的输入特性，注意横坐标是－UBE，这是指PNP型锗管的基极电位低于发射极电位。可见，锗管和硅管它们的输入特性曲线都是非线性的，都有“死区”，锗管和硅管相比，锗管在较小的UBE值下，就可使发射结正偏导通。当三极管在正常放大状态时，以发射极作为公共端，则NPN型硅管UBE约为0.7伏， PNP锗管UBE约为－0.3伏。
　　（二） 输出特性曲线
　　输出特性是指，当三极管基极电流IB一定时，三极管的集电极电流IC与集电极电压UCE之间的关系。
　　以3DG130C为例，仍用图1所示电路测试。当基极电流固定在某一值时调整RP2的阻值，可以测量若干组UCE与IC的值，将它们逐点描绘，就得到它们的关系曲线。表2所列IB＝0.30毫安时一组UCE与IC的值，描绘的曲线如图5所示。如果分别在不同的IB时，测出相应的IC与UCE的值，就可描绘出三极管的输出特性曲线，如图6所示。

　　表2 IB＝0.30毫安时UCE与IC数据

　　图5 IB＝0.30毫安时输出特性曲线　　 图6 晶体三极管的输出特性曲线簇

　　从输出特性曲线簇上可以看到，每条曲线都有上升弯曲和平行部分，各条曲线的上升部分很陡，几乎重合在一起，而平行部分按IB的值从小到大，由下向上排列，反映了三极管不同的工作状态。
　　我们知道三极管具有电流放大作用，但这种放大作用并不是在任何情况下都能实现的，当三极管各极上电压和电流发生变化时，它的工作状态就不同。三极管有截止、饱和、放大三种工作状态，对应这三种工作状态，可把三极管的输出特性曲线簇分为三个区域。
　　1. 截止区即IB＝0这根曲线以下的阴影部分。三极管截止的条件是，集电结与发射结都处于反向偏置状态。从图中我们看到，当IB＝0时， IC≠0，此时的IC叫穿电流ICEO，而且ICEO很小，它不受基极控制，与放大无关。因此截止状态的特征是IB≤0， IC≈0， UCE≈UGB2，相当于集电结－发射结之间断开，三极管失去放大作用。
　　2. 饱和区即曲线左侧的阴影区，包括曲线的上升和弯曲部分。三极管饱和的条件是，集电结与发射结都处于正向偏置状态。饱和的特征是， UCE很低（即UCE≤UBE）IC不受IB控制，相当于集电结－发射结之间短路接通，三极管也失去放大作用。
　　当UCE＜UBE时，称为深度饱和。由于集电结正偏，其内电场很弱，对到达基区的电子吸引力不大，这时即使增大IB， IC也几乎不增大，此时各线靠拢，表示IC不受IB影响。而IC受UCE影响很大， UCE稍有增大，从基区到集电区的电子也增加，因此IC随UCE增大而增大，这就是曲线的上升部分。当UCE＝UBE时，集电结处于零偏置，各曲线在这时开始弯曲，称为临界饱和。
　　饱和时的集电极电流，由外电路参数UGB2和RC决定。饱和状态时的UCE叫饱和压降UCES，晶体管手册上一般列出在某个条件下的饱和压降UCES，如3DG130C在IC＝300毫安时， UCES≤0.8伏。一般NPN型小功率硅管的UCES取0.3伏（对PNP锗管取－0.1伏），大功率硅管在大电流工作时， UCES将大于1伏。有关三极管饱和与截止状态的运用，我们在后面的数字电路中还要讨论。
　　3. 放大区指饱和区和截止区所夹的中间部分，特性曲线是一组间距近似相等的平行直线簇。三极管放大的条件是，发射结正偏，集电结反偏。当UCE大于某一数值（约1伏）后，集电结电场已足够强，使发射区扩散到基区的电子绝大部分到达集电区。因此，在放大区，当IB一定时， IC基本不随UCE变化，即IC与UCE基本无关，这称为三极管的恒流特性。IC主要由IB控制， IB每增加一定数量，特性曲线就向上移一次， IC的变化比IB的变化大得多，即ΔIC＝βΔIB，这正是三极管的放大作用。利用输出特性曲线，只要知道三极管的IB、 IC、 UCE三个数值中的两个，就能很方便确定另一个数值。若以实际工作时的UCE作垂线，就能算出基极电流变化值为ΔIB时，集电极电流的变化值ΔIC，从而计算出三极管电流放大系数β。曲线越平坦，间距越均匀，表明三极管的放大线性越好，显然，在相同的ΔIB下， ΔIC越大β值越高。
　　图2-15是锗三极管3AX52B的共发射极接法时的输出特性。与硅管相比，它的饱和压降较小，且IB＝0的一条曲线上移了。此外由于电源极性不同，横坐标为－UCE。 图7 3AX52B的输出特性曲线簇
　　由于PN结流过的电流是有一定限制的，正反向电流过大将使PN结过热烧毁，所以为了安全使用三极管，在输出特性曲线簇上还有一些限制区域，如图2-14中，虚线右边为集电极最大允许功率限制区。三极管不能在这个区域工作。
　　综上所述，利用输入、输出特性曲线，我们可以了解某只三极管容许的工作范围，计算电流放大系数及工作中有关电压电流值，正确确定该管工作状态。在实际中，还可按表3所列数据测量三极管各极之间电压来判别三极管工作状态。
　　表3 NPN型三极管的电压典型数据

　　注：对PNP型电压极性应相反。电压单位，伏。