三极管开关电路工作原理解析

 图1所示是NPN三极管的 共射极电路，图2所示是它的特性曲线图，

图中它有3 种工作区域：截止区(Cutoff Region)、线性区 (Active Region) 、饱和区(Saturation Region)。

三极管是以B 极电流I_B 作为输入，操控整个三极管的工作状态。

若三极管是在截止区，I_B 趋近于0 (V_BE 亦趋近于0)，C 极与E 极间约呈断路状态，I_C = 0，V_CE = VCC。

　　详细分析：发射区和集电区均没有电子向基区扩散，此时C-E之间相当于一个大电阻，V_CE = VCC

若三极管是在线性区，B-E 接面为顺向偏压，B-C 接面为逆向偏压，I_B 的值适中 (V_BE = 0.7 V)，  I _C =h _{F E} I _B   呈比例放大，Vce  = Vcc -Rc I c = V cc - Rc  h_FE I_B可被 I_B 操控。

　　详细分析：射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低，射结正偏时发射极电子向基区扩散，形成了发射极电流Ie，其方向与电子流的方向相反。这时，虽然基区的多子空穴向射区扩散，但基区掺杂浓度低与电子流相比可以忽略，从射区扩散到基区的电子流只有少数与基区的多子空穴复合，复合掉的空穴由接在基极的正电源拉走电子来补充，从而形成了基极电流I_b，集电接反偏产生的内电场吸引电子流继续向集电区做漂移运动，形成集电极电流Ic，另一方面，集电结反偏产生的反向漂移电流I_CBO到达基区后又与部分电子流相复合，使基极电流Ib减少，即有I_B=I_B‘-I_CBO。I_C=I_nc+I_CBO

若三极管在饱和区，I_B 很大，V_BE = 0.8 V，V_CE = 0.2 V，V_BC = 0.6 V，B-C 与B-E 两接面均为正向偏压，C-E间等同于一个带有0.2 V 电位落差的通路，可得I c=( Vcc - 0.2 )/ Rc  ，Ic 与 I_B 无关了，因此时的I_B大过线性放大区的I_B 值，   Ic<hFE  I_B  是必然的。

　　详细分析：发射结正偏、集电结正偏，发射区和集电区电子向基区扩散与基区的多子空穴复合，形成了集电极电流Ic和发射极电流Ie，复合掉的空穴由接在基极的正电源拉走电子来补充，形成基极电流I_b

三极管在截止态时 C-E 间如同断路，在饱和态时C-E 间如同通路 (带有0.2 V 电位降)，因此可以作为开关。控制此开关的是 I_B，也可以用 VBB 作为控制的输入讯号。

图3、4分别显示三极管开关的通路、断路状态，及其对应的等效电路。

   图1   NPN 三极管共射极电路  　　　　　　　　　　　　　　　　图2  共射极电路输出特性曲线

　　　　　　图3、截止态如同断路线图                                        图4、饱和态如同通路

实验：三极管的开关作用

简单三极管开关：电路如图5，电阻R_C是LED限流用电阻，以防止电压过高烧坏LED（发光二极管），将输入信号 VIN 从0 调到最大 (等分为约20 个间隔)，观察并记录对的 V_OUT 以及LED 的亮度。当三极管开关为断路时，V_OUT =VCC =12 V，LED 不亮。当三极管开关通路时，V_OUT  = 0.2V ，LED 会亮。

改良三极管开关：因为三极管由截止区过度到饱和区需经过线性区，开关的效果不会有明确的界线。为使三极管开关的效果明确，可串接两三极管，电路如图6。同样将输入信号 VIN 从0 调到最大 (等分为约20 个间隔)，观察并记录对应的V_OUT 以及LED 的亮度。当VIN=0时，前一个三极管VT1工作在截止（发射区和集电区均没有电子扩散到基区，此时C-E之间相当于一个大电阻）所以Vce=Vcc=12v，因Vce=12v，三极管VT2饱和导通（发射结正偏、集电结正偏，发射区和集电区电子向基区扩散与基区的多子空穴复合，形成了集电极电流Ic和发射极电流Ie，复合掉的空穴由接在基极的正电源拉走电子来补充，   形 成了  基极电流Ib）,V_OUT=0.2V,LED会亮；当VT1工作在放大区时，V_CE=VCC-I_C x R_C=VCC- hFE x I_B x R_C=VCC-hFE* ((VCC-V_BE)/R_B) *R_C=VCC-hFE* ((VCC-0.7)/R_B)*R_C　　，即当RB，RC取值合适时，就能使VCE始终大于或者小于某个值，即使VT2始终工作在饱和区或者截止区；当VT1工作在饱和区时，V_CE=0.2V,VT2截止，VOUT=VCC,LED不亮；

   图5、简单开关三极管电路图                                  图6、改良三极管开关电路-达林顿电路图

三极管