晶体三极管特性曲线

1、集电极输出特性曲线

和二极管一样，晶体管的特性曲线可以提供很多信息。有许多类型的晶体管特性曲线。集电极曲线族是最常见的曲线之一。图10-9就是这种曲线的一个例子。垂直轴表示集电极电流（IC），以毫安为单位；水平轴表示集电极-发射极偏置电压（UCE），以伏特为单位。该图叫做集电极曲线族，因为它是同一个三极管在给定不同基极电流的条件下描绘的。

图10－10给出了一种电路可以用来测量一个集电极曲线族的数据的电路。用三个表来分别测量基极电流IB，集电极电流IC，集电极-发射极电压UCE。为了画出含有三个变量的曲线，将一个变量值固定为常数而使其它两个量改变。对一个集电极曲线族来说，常量是基极电流。如图10－10所示，先调整可变电阻器得到需要的基极电流，然后调整可变电源，每给定为一个UCE值，记录集电极电流的值。接着，再改变UCE值，并记录IC的值。在图上描出这些数据点就产生了一条IC-UCE的伏安特性曲线。改变基极电流，重复前面的操作，就可以产生这一族中的其它曲线。

从图10-9所示的曲线可得到一些结型晶体管的重要参数。注意到集-发极间电压对集电极电流的影响很小。注意IB=20μA时的曲线，电压从2V到18V范围内集电极电流有多大变化？电压增加16V，电流大约增加0.3mA。由此可见，集电极电压对电流的影响很小，仅在集电极电压很小的时候对集电极电流有影响（见图10-9中1V以下部分曲线称三机关报和区）。由输出特性曲线图，我们定义三极管的动态电阻（也称三极管集电极输出电阻）：

实际表示输出特性曲线的斜率。对于上例

可见三极管有较大的动态电阻。

你要学会利用图10-9读一些数据。例如，当IC=10mA，VCE=4V时，求IB=?，这两个数据点在80μA的曲线上相交，所以答案是80μA。读该图时，使用估值也是必要的。例如，当UCE=10V，IC=7mA时，基极电流值为多少？这两个值的交点与族内的每条曲线都不相交，大约在40μA和60μA曲线之间，所以估值50μA是比较合理的。

例1根据图10-9，当UCE =8V，IB =20μA时，确定集电极电流。用估计法得到IC的值大约为3.1mA。

例2根据图10-9，当UCE=6V，IB =100μA时，找出发射极电流。

集电极曲线并没有显示任何发射极数据，但发射极电流可以根据基极电流和集电极电流得到。我们已经知道基极电流，所以我们根据曲线找出集电极电流。图10-9显示，当UCE=6V，IB =100μA时IC=12mA，因此：

IE=IC+IB=12mA+100μA=12.1mA

图10-9的曲线给出足够的信息来计算β。当UCE=8V，IC=8mA时，β的值为多少？第一步是找出基极电流的值。这两个值相交于基极电流为60μA的曲线上，现在，可以计算β值为：

β===133

计算UCE=12V，IC =14mA时的β值。这两个值相交于IB=120μA：

β==117

    前面这两个计算显示了晶体管其他方面的特性。β值不仅随着不同晶体管变化，它还随着Ic变化。随后，我们将看到温度也会影响β值。

当基极电流相对比较大时，如果集电极有合适的限流电阻（如图10-7的限流电阻RC）将限制集电极的电流与电压，让我们看图10－11，晶体管特性曲线处在陡峭上升的那部分时，即使基极电流大于35μA，晶体管电压UCE仍然很小。当晶体管处在这个区间，称作饱和区。在这个区间工作就如在集电极和发射极之间有一个闭合的开关。理想情况下闭合开关的压降为0，因为没有电阻。实际的开关有很小的阻值，因此有少量压降。 

双极型晶体管在基极电流很大，而集电极电压很低时，就像闭合的开关。开关的应用将在本章的最后一节讨论。

从基极到集电极有另外一种形式的电流增益称为βac或hfe。我们已经讨论过：

βdc=hFE=而

βac=hfe==常数

   符号|表示UCE保持常数。图10－11显示这个过程。集-发极电压保持常数10V，基极电流从30到25μA，即△IB的值为5μA。向左边投影得到集电极电流相应的从7.0mA变为5.7mA，这表示△IC的值为1.3mA，相除得到βac为260。βac表示一种动态参数，也称交流β。

低频时βdc和βac没有明显的区别。本书的重点在βdc，不带下标dc的符号β表示直流电流增益，交流电流增益用βac表示。

例3根据图10-9，当UCE=4V，IB从20变到40μA，获得所需数值计算βac。

βac===130

在高频情况下双极型晶体管的交流电流增益开始减少。这种影响限制了晶体管使用的频率范围。增益带宽乘积就是交流电流增益下降到1时的频率值。增益带宽乘积的符号为fT。在高频使用中晶体管的规格是非常重要的。

电流增益β称作共发射极电流放大倍数，晶体管使用方法不同，其电流增益定义也不同，常用的另一种电流增益表示方式称做共基极电流放大倍数α，它定义为集电极电流IC与发射极电流IE之比。

由于IE=IC+IB或IB =IE- IC,所以

或

由于发射极电流总是大于集电极电流，α总是小于1，但很接近于1，共基极电流放大倍数小于1并不是三极管没有放大电流的能力，它只是数学定义不同造成。α也是一个很常用的参数。

例4由图10－9，计算 在UCE=6V，IB=60μA时的共基极电流放大系数α。

解：从图中可知IC=8mA,IB=60μA,得IE=8+0.06=8.06mA,所以：

图10－12画出了一族PNP管集电极特性曲线。在PNP晶体管中集电极电压必须是负的，因此，曲线向左。相对于NPN晶体管集电极电流指向相反的方向。但是，PNP晶体管的曲线有时也向上和向右画。任何一种方法对于表示集电极特性都是一样有效的。

实验室通常配备一种设备叫晶体管图示仪。这种仪器可以在阴极射线管或显像管上画出特性曲线。晶体管图示仪在第一象限显示NPN的曲线（如图10-9），在第三象限显示PNP的曲线（如图10－12）。

晶体管特性曲线经常用于计算集电极功耗，显示一个晶体管的安全工作区域。它是基于下面的功率不等式：

         PCmax≥UCE×IC

    式中PCmax是三极管最大集电极额定功耗，图10－13的功率曲线是针对一个最大功耗为7.5 W的晶体管画出的，曲线的上部晶体管集电极功耗大于7.5W，因此三极管是不安全的，曲线的左下部晶体管集电极功耗小于7.5W，因此三极管是安全的。可以得到证实。在曲线上各点PCmax=UCE×IC

UCE=4V时，功率曲线在IC轴上略小于1.9A的地方穿过：

PC=4V×1.9A=7.6W

UCE=8V时，功率曲线在IC轴上略大于0.9A的地方穿过：

PC=8V×0.9A=7.2W

所有沿着功率曲线的点表示他们的乘积为7.5W。不管是NPN型的晶体管还是PNP型晶体管毒必须在安全区内工作。

如果集电极特性曲线延伸到高压区，就显示出集电极的击穿电压。和二极管的一样，晶体管使用的反向偏置电压也有一定的限制。晶体管有两个结，他们的击穿额定值是很复杂的。图10－14显示了某个晶体管一族水平轴延伸到140V的集电极特性曲线。当集电极电压变得很大时，它就开始控制集电极电流。这是我们不希望的,因为集电极电流是由基极电流控制的。晶体管的工作电压不能接近或大于它的最大电压极限值。从图10－14可以看到，集电极击穿电压不象二极管那样有一个固定值，它根据基极电流的值而变化。当IB=15μA时，集电极击穿电压点在110V左右，IB=0μA时，它在130V左右。

例5当UCE =-10V，IB =-70mA时，计算图10－13中晶体管的功耗。

PC=10V×1.8A=18W

注意，这已经超过了器件的安全限度。

2、转移特性曲线

晶体三极管集电极特性曲线是给定一个基极电流然后改变集电极电压的条件下测量IC绘出的曲线，图中ＩB与IC成近似的线性关系.实际上基极电流ＩＢ受ＢＥ结电压ＵＢＥ控制，而ＩＢ与ＵＢＥ的关系是服从指数关系，故ＩE与ＵＢＥ之间也服从指数关系，可用下式表示：

其中ＩＥＢＳ为发射结反向饱和电流，UT为热电压,常温下等于26 mV,而集电极电流ＩC可表示成：

图10－15的横坐标是基－发结电压ＵＢＥ，纵坐标是集电极电流ＩＣ，利用上面指数关系式分别画出锗晶体管和硅晶体管的转移特性曲线，这种曲线显示晶体管的一个端（基极）电压如何影响另一个端（集电极）的电流，这就是为什么称它们为转移曲线的原因。我们知道基极电流控制集电极电流，图10－15显示基极-发射极电压是如何控制集电极电流，这是因为基极电流大小是由基极-发射极电压控制的。

图10－15还显示了硅晶体管和锗晶体管的一个重要区别。像二极管那样，锗晶体管的导通电压很小（大约0.2V），硅晶体管的导通电压大约为0.6V。记住这些电压非常重要，它们近似于常数，在晶体管电路故障处理时很有帮助，而且还可以帮助你判断是硅晶体管还是锗晶体管。

现在锗晶体管的应用不广，对某些应用锗晶体管具有一些优势。一些大功率晶体管用锗制成因为它比硅导电性能更好。在某些电路中，锗晶体管的低导通电压也是一个优点。硅晶体管价格低廉而且显示出更好的高温性能，所以在大多数应用中选择硅管。

从图10-15还可以得到晶体管的小信号动态互导(或跨导)gm,设晶体管已加上合适的静态偏置电压ＵＢＥQ在图10-15的Q点附近再叠加一个小信号，则会产生一个小的电压增量ΔＵBE和电流增量ΔＩC,我们将ΔＩC.与ΔＵBE的比称作互导(或跨导)gm。则有；

其中，

由于α很接近1，通常，而

称作BE结动态电阻，在晶体管放大器性能分析时是一个很重要的参数，其大小由和决定，前面已提到常温下=26mV,在工程计算时由于忽略了其它一些因素，有时取该值为50mV计算结果更加准确。在小信号输入时，动态输入电压，按照输入电阻定义，晶体管基极与发射极间的小信号输入电阻可以表示成：

，与一样，也是一个常用的参数。前面所用等符号均表表示交流小信号参数。