什么是三极管的倒置状态及其作用!

三极管倒置状态解析
本文详细介绍了三极管的倒置状态及其工作原理,包括倒置状态下三极管的电流分配、放大能力及应用,并探讨了如何利用倒置状态进行三极管的检测。

1、什么是三极管的倒置状态?

      集电结正偏,发射结反偏,为倒置状态;集电结正偏,发射结正偏,为饱和状态;集电结反偏,发射结反偏,为倒截止态;集电结反偏,发射结正偏,为放大状态;

2、对三极管倒置状态的分析

      实际上,当NPN型三极管的三个电极电位关系为UE>UB>UC 时,三极管内两个PN结的状态为be结反偏,bc结正偏。这时三极管工作在“倒置”状态。倒置状态的三极管其工作原理与放大状态相似,bc结正偏时,集电区发射电子,一部分自由电子在基区和空穴复合形成基极电流,另一部分电子被反偏的发射结“收集”形成发射极电流。倒置时由于三极管集电区掺杂浓度不高,发射的电子少,同时由于发射区面积小,最终收集的电子也少,形成的电流很小,因此三极管没有放大能力。倒置状态的三极管β是小于1的。当增大“倒置”三极管的基极电流时,倒置的三极管也可以进入饱和状态,但这时基极电流较大,同时管子的导通压降比正接时要小得多。

3、对三极管倒置放大的理解 

      ①三极管工作于倒置状态时相当于把发射极与集电极对调使用(即集电极当作发射极使用,发射极当作集电极使用),倒置时的三极管同样具有三种工作状态。但是等效集电极电流(IE)与基极电流的比值即β要比正接时小得多,所以要使倒置的三极管进入饱和区,所需的基极驱动电流要比正接时大得多,但是倒置时的管压降要比正接时的小。

4、三极管倒置状态的应用

      ①TTL 数字集成电路中作为信号输入用的多发射极三极管, 当输入为高电平1 时,就是一个倒置使用的三极管。三极管在倒置使用时,它的两个PN 结的偏置情况与工作在放大状态时是相反的:发射结反向偏置,集电结正向偏置。因此,集电结可能烧毁,而发射结可能击穿。但是,由于工作于倒置状态的三极管的电压放大倍数β通常很小, 如平面三极管倒置使用时的β值约为0.1~0.5,因此一般不会出现烧坏的情况。目前已经很少使用三极管作倒置状态。

      ②在使用万用表检测判断三极管的三个电极时,可以通过“三颠倒”方法找到基极和并判断三极管的管型,而集电极和发射极的判断就需使用三极管的倒置状态。以NPN型三极管为例,万用表选择欧姆档的R×100 或R×1K量程,按照图1所示,用手指捏住三极管的基极和未知电极,将万用表黑表笔接未知电极Y,红表笔接X极,观察表针偏转角度。再按照图2所示连接,观察表针偏转角度。比较两次指针偏转角度,偏转大的那一次黑表笔接的是集电极。这种判断方法的两种接线方式对应了三极管的两种状态:放大状态和倒置状态。其中指针偏转小的那次,黑表笔(万用表内直流电源正极)接三极管的发射极。此时,三极管三个电极的电位关系为UE>UB>UC ,三极管工作在倒置状态,万用表表针偏转所通过的电流为发射极电流,因为这个电流较小,所以指针偏转较小。另一种接线方式对应为三极管的放大状态,通过指针的电流为集电极电流这个电流较大,对应万用表的指针偏转也较大。

 

### 三极管饱和状态的定义和工作原理 #### 饱和状态的定义 三极管的饱和状态是指当基极电流($I_B$)增大到一定程度时,集电极电流($I_C$)不再随着基极电流的增加而线性增大。此时,三极管失去电流放大作用,集电极与发射极之间的电压($V_{CE}$)变得非常小,通常在硅三极管中为0.2V至0.3V[^3]。 #### 饱和状态的工作原理 在饱和状态下,三极管的发射结和集电结均处于置。由于基极电流足够大,使得大量的载流子从发射区注入到基区,并进一步注入到集电区。此时,集电极电流几乎完全由发射极电流决定,而非受基极电流控制[^4]。 具体来说: - 当基极电流达到一定值后,基区中的载流子浓度已经足够高,以至于集电结的势垒被完全克服。 - 此时,集电极电流不再受基极电流的影响,而是由外部电路的负载电阻和电源电压决定。 - 集电极与发射极之间的电压($V_{CE}$)降低到接近于零的状态,通常称为“深度饱和”。 #### 饱和状态的特点 1. **低电压降**:在饱和状态下,集电极与发射极之间的电压($V_{CE(sat)}$)非常低,通常小于0.3V(对于硅三极管)。 2. **高导通性**:三极管相当于一个闭合的开关,电流可以自由地从集电极流向发射极。 3. **电流关系**:在饱和状态下,集电极电流($I_C$)不再与基极电流($I_B$)保持固定的比例关系,即不再遵循 $I_C = \beta I_B$ 的公式[^2]。 4. **功耗较高**:尽管饱和状态下电压较低,但由于电流较大,三极管的功耗可能仍然较高,需注意散热设计。 ```python # 示例代码:计算三极管饱和状态下的功耗 V_CC = 5.0 # 电源电压 (V) R_C = 1000 # 集电极电阻 (Ω) V_CE_sat = 0.2 # 饱和压降 (V) # 计算集电极电流 I_C = (V_CC - V_CE_sat) / R_C # 计算三极管的功耗 P_T = V_CE_sat * I_C print(f"集电极电流 I_C: {I_C:.3f} A") print(f"三极管功耗 P_T: {P_T:.3f} W") ``` #### 饱和状态的应用 饱和状态常用于三极管作为开关的应用中。例如,在数字电路中,三极管通过切换饱和和截止状态来实现信号的逻辑控制[^4]。
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