晶体三极管的输出特性曲线

本刊第3期上介绍了二极管的伏安特性曲线，第5期上又介绍了晶体三极管的输入特性曲线，现在我们再来谈谈三极管的输出特性曲线。

当三极管的输入端电流为一个固定值时，输出端的电压与电流之间的伏安特性曲线称为输出特性曲线。对应于输入端的某一固定电流值，就有一条相应的输出特性曲线。改变输入端电流为几个不同的数值，就可以作出几条输出特性曲线，称输出特性曲线族。这个曲线族可以直观地反映出晶体管的输出特性，并可从曲线上取得各种重要参数。

一般常研究的晶体管输出特性曲线有两种，一种是共基极输出特性曲线，一种是共发射极输出特性曲线。下面我们以常用的共发射极输出特性曲线为例作介绍。

图1a为PNP型晶体管共发射极输出特性曲线的测试电路。图1b为NPN型晶体管共发射极输出特性曲线的测试电路。在电路中调节电位器W\(_{1}\)到某一位置上，使输入端基极电流Ib为某一数值时，再调节电位器W\(_{2}\)使Uec（或U\(_{ce}\)）变化为几个不同的电压数值，把每个电压值对应的集电极电流Ic值记录下来，在直角坐标纸上点出这一系列U\(_{ec}\)（或Uce）与I\(_{c}\)相对应的点，把这些点连接起来就能给出一条共发射极输出特性曲线。再通过电位器W1将I\(_{b}\)值调到几个不同的数值，就能分别作出几条不同的输出特性曲线，所以输出特性曲线是一族。图2为PNP型锗晶体管（以3AG25为例）的共发射极输出特性曲线族。我们以其中的一条Ib=70μA时的曲线行分析。在图3上单独画出这条曲线，当U\(_{ec}\)=0时注入基区的空穴不能进入集电区形成集电极电流，所以Ic=0；当U\(_{ec}\)＞0时，注入基区的空穴几乎与Uec成比例地增大，形成曲线上的oa段；当U\(_{ec}\)增大超过Ua值时（小功率锗管为0.2～0.3伏，硅管为0.6～0.8伏），集电结的电场已有足够的力量把输运过来的空穴全部拉入集电区，因此U\(_{ec}\)在一定范围内增大时并不大影响Ic的变化，这时的I\(_{c}\)与Uec几乎无关，所以曲线近于一条水平直线，即特性曲线上的ab段；当U\(_{ec}\)继续增大超过Ub（BV\(_{ec}\)）值时，就会产生击穿现象，它实质上是c－b结的击穿，这时集电极电流Ic急剧增大。

按照晶体管的工作条件，可以在曲线族上划出几个限制工作的区域，以确定晶体管的允许工作范围。

①截止区 当I\(_{e}\)=0时，就是共用的发射极开路的情况下，这时Ic=－I\(_{b}\)=ICBO，即I\(_{b}\)＝－ICBO,这个电流是不受输入电流I\(_{b}\)控制的，所以，在曲线族中，Ie=0这条曲线以下称为截止区。当I\(_{b}\)=0时，相当于基极开路的情况，这时集电极的电流比Ic=I\(_{CEO}\)，称为基极开路时的穿透电流。ICEO比I\(_{CBO}\)要大得多。ICEO=（1+β-）I\(_{CBO}\)，对于某些锗管来说，本来ICBO就不小，所以I\(_{CEO}\)就成了不可忽视的电流，ICEO太大的管子质量不好。对于小功率管来说，可粗略地认为I\(_{b}\)=0这条曲线以下就是截止区。

②饱和区由图2所示，当U\(_{ec}\)减小到一定程度（Ua时），特性曲线族中每一条曲线都向下弯曲，即I\(_{c}\)迅速下降，每条曲线上出现一个转折点，如图中a1、a\(_{2}\)……等，这些点可粗略地认为是Ucb=0（即U\(_{ec}\)=Ueb）的点，把曲线族中每条曲线的这种转折点连成的曲线称为临界饱和线（图2中左边的虚线），这条虚线以左至纵坐标轴之间为饱和区。在饱和区中I\(_{b}\)对Ic的控制作用很小，基本上没有什么电流放大作用。

③最大允许集电极电流I\(_{CM}\)限制区从晶体管手册的参数表中可以查到极限参数ICM的值，例如3AG25的I\(_{CM}\)=10mA。晶体管的工作电流不能超过这个极限值，所以把曲线族图上在这个限值（ICM）以上的区域称为最大允许集电极电流限制区。

④击穿区前面说过，当U\(_{ec}\)增大超过Ub时，管子就出现击穿。根据不同I\(_{b}\)所作出的每一条输出特性曲线上，都有一个击穿电压BVec，例如I\(_{b}\)＝0的这条曲线的击穿电压为BVec1≈17.5V，I\(_{b}\)＝30μA曲线上击穿电压为BVec2≈16.7V，I\(_{b}\)=50μA的曲线上击穿电压为BVec3≈16V，把BV\(_{ec1}\)、BVec2、BV\(_{ec3}\)……这些击穿电压点连接起来就成了一条击穿电压的临界线，晶体管的工作电压Uec超过这条线时就会使集电极电流急剧增大，引起管子损坏，把这条临界线以右的区域称为击穿区。

⑤集电极最大允许耗散功率P\(_{CM}\)限制区从晶体管手册的参数表中可以查到极限参数PCM的值（例如3AG25的P\(_{CM}\)=50mw），它就是集电极上最大允许的耗散功率。三极管工作在放大状态时，发射结的正向电压较小，集电结的反向电压较大，但通过两个结的电流近似相等，即Ie≈I\(_{c}\)，因此，三极管的消耗功率主要是指消耗在集电结上的功率，用Pc表示，P\(_{c}\)=Uec·I\(_{c}\)。Pc会在晶体管中转化为热能而导致结温上升，PN结的最高允许温度硅管约为150℃、锗管约为70℃。当工作的温度超过这个限度时管子的性能就会变差，而且容易损坏。因此，PN结的最高工作温度便决定了晶体管集电极耗散功率的最大允许值PCM。当从手册中查出了P\(_{CM}\)值后，就可以求出不同集电极电流Ic下所允许的最高电压值U\(_{ec}\)，例如PCM＝50mw时，通过公式P\(_{CM}\)=Ic·U\(_{ec}\)可求出下表的数值。

把上表中的对应点画在曲线族上，就会连接出一条最大功耗线。这条线的右边称为集电极最大允许耗散功率限制区，晶体管的工作不允许进入这个区域，以免过热而损坏。对于大功率晶体管，如果外加散热片使散热面积增大或强制冷却，都可以大大提高P\(_{CM}\)的值，使最大功耗线向右上方移动。

⑥安全工作区由截止区、饱和区、最大允许集电极电流I\(_{CM}\)限制区、击穿区和集电极最大允许耗散功率PCM限制区所围成的内部区域称为安全工作区，也称放大区。在此区内由于U\(_{ce}\)对Ic的影响较小，每条特性曲线在此区内较平坦。在此区内I\(_{b}\)增加一个数量（如20μA），特性曲线向上移动一条，显示了Ib对I\(_{c}\)有控制作用。共发射极连接的晶体管，只要它的Ic值与U\(_{ec}\)值不超出这个区域，就能得到期望的放大作用。所以，利用安全工作区就能直观而确切地选定工作点和放大范围。（耿文学）