三極管的工作原理
三極管是一種控制元件，主要用來控制電流的大小，以共發(fā)射極接法為例（信號(hào)從基極輸入，從集電極輸出，發(fā)射極接地），當(dāng)基極電壓UB有一個(gè)微小的變化時(shí)，基極電流IB也會(huì)隨之有一小的變化，受基極電流IB的控制，集電極電流IC會(huì)有一個(gè)很大的變化，基極電流IB越大，集電極電流IC也越大，反之，基極電流越小，集電極電流也越小，即基極電流控制集電極電流的變化。但是集電極電流的變化比基極電流的變化大得多，這就是三極管的放大作用。IC 的變化量與IB變化量之比叫做三極管的放大倍數(shù)β（β=ΔIC/ΔIB, Δ表示變化量。），三極管的放大倍數(shù)β一般在幾十到幾百倍。
三極管在放大信號(hào)時(shí)，首先要進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，即要先建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，也叫建立偏置，否則會(huì)放大失真。
在三極管的集電極與電源之間接一個(gè)電阻，可將電流放大轉(zhuǎn)換成電壓放大：當(dāng)基極電壓UB升高時(shí)，IB變大，IC也變大，IC 在集電極電阻RC的壓降也越大，所以三極管集電極電壓UC會(huì)降低，且UB越高，UC就越低，ΔUC=ΔUB。僅供參考
首先我們要了解三極管的基本原理，三極管就是一條電流的通道，有一個(gè)電極控制這個(gè)通道的通和斷，如果說三極管的基本原理用這樣的比喻比較牽強(qiáng)附會(huì)的話，在設(shè)計(jì)三極管的版圖時(shí)，它就非常的確切了，我們先畫一條綠色的線條表示通道，再畫一條橫跨過通道的紅色線條表示控制柵極，就象馬路上的綠色的通道和警察掌握的紅燈一樣，綠色通道里的電流的通斷，得看警察的臉色行事。不過在集成電路里通道不叫通道，而叫有源區(qū)，一個(gè)奇怪的名字，不過很好記，我們平時(shí)把半導(dǎo)體器件叫做有源器件，電阻電容叫無源器件，三極管是有源器件，因此只要記住和三極管有關(guān)的區(qū)域叫有源區(qū)就可以了。
由 N型或 P型半導(dǎo)體材料組成源極和漏極，在源極和漏極之間放一層多晶硅作為柵極，這就形成了一個(gè) MOS三極管，多做幾個(gè)這樣的三極管，并把它們按要求連接起來，這就形成了集成電路。把許多三極管做在一起就是集成電路。
集成電路真的就是這么簡(jiǎn)單，請(qǐng)暫時(shí)不要問什么半導(dǎo)體為什么會(huì)導(dǎo)電之類目前被認(rèn)為是無關(guān)緊要的問題，我們?cè)谶@里探討的是如何快速的學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)集成電路，而不是半導(dǎo)體理論。
設(shè)計(jì)一個(gè)反相器管
我們知道三極管相當(dāng)于一條通道，在這條通道上電流出發(fā)的那一端叫做源極，而電流到達(dá)的那一端叫做漏極，控制電流通斷的那個(gè)電極叫做柵極，那么柵極需要帶上什么樣的電壓才表示通道導(dǎo)通呢？一般情況下，柵極對(duì)源極的電壓為0V時(shí)，表示關(guān)斷，柵極上帶 0.7V以上的電壓時(shí)，表示導(dǎo)通，應(yīng)該注意柵極電壓是對(duì)源極而言的。
上述的 MOS三極管我們叫它 N型 MOS管，對(duì)應(yīng)的，還有一種 P型 MOS 管， P型 MOS管的特性正好完全相反，電流從漏極出發(fā)到達(dá)源極，柵極帶上比漏極低于0.7V以下的電壓時(shí)， MOS管導(dǎo)通。
如果規(guī)定只能用一種類型的 MOS管，我們也能設(shè)計(jì)出集成電路來，想當(dāng)初的半導(dǎo)體工藝只適合于做 N型一種類型的 MOS管，那時(shí)侯的集成電路大部分是NMOS集成電路，我們熟悉的早期的 Z80、8048等，都是用 NMOS工藝制造的。后來，發(fā)展了在同一個(gè)芯片上做兩種不同類型 MOS管的工藝，叫做CMOS工藝，現(xiàn)在已是半導(dǎo)體行業(yè)的主流工藝。
N 管和 P管的版圖設(shè)計(jì)并沒有什么不一樣，只要對(duì)其類型做一個(gè)標(biāo)記就可以了，這個(gè)標(biāo)記用來通知制造集成電路的把這些管子做成某一類型的管子，在下圖中我們把 P管用虛框圈起來作為標(biāo)記。
設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單集成電路
設(shè)計(jì)集成電路就是把那些三極管連接起來，用什么來連接呢？總不至于用電烙鐵和焊錫絲之類的方法吧？在集成電路里不用這種方法，用的是類似于雙面線路板的方法，雙面線路板上的過孔將線路板的兩面連接了起來，在集成電路了也用了過孔，兩層導(dǎo)電材料分別是鋁和多晶硅，鋁可以越過各種區(qū)域通到任何地方而不受限制，但多晶硅可不可以呢？好象可以，可是，的多晶硅越過有源區(qū)時(shí)，有源區(qū)變成了一個(gè)受多晶硅控制的電流通路：一個(gè)多余的三極管，這不是我們所希望的，所以，我們?cè)谶@里增加一條規(guī)則：多晶硅不能跨越有源區(qū)。按這樣的規(guī)則連接兩各三極管，我們就設(shè)計(jì)了一個(gè)含有一個(gè)反相器的簡(jiǎn)單的集成電路。
在芯片的四周有四個(gè)焊接點(diǎn)，用來和外部電路進(jìn)行連接，不過，在這里不叫焊接點(diǎn)，而叫壓焊點(diǎn)，可能因工藝而得名。如果你到集成電路行業(yè)里把它叫成焊接點(diǎn)的話，會(huì)讓別人目瞪口呆的。
我們不妨大膽的把集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝用印刷來理解，當(dāng)我們要印名片時(shí)，我們要先設(shè)計(jì)版面的排列，為一個(gè)商標(biāo)圖案苦思冥想，用彩色筆在草稿紙是畫來畫去，甚至出錢請(qǐng)搞美工的人來為這張名片進(jìn)行設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)的名片可能包含了好幾種顏色，好多種字體，當(dāng)設(shè)計(jì)方案送到引名片的小店后，將根據(jù)顏色的種類先做出版子來，然后就是用這些版子把各種顏色印到紙上，再然后就是把一大張紙剪切成一張一張的小名片，最后把這些名片裝到小盒里，就等著用戶來取貨了。
印名片的小店老板只要會(huì)玩那些制版機(jī)、速印機(jī)之類的玩藝就可以了，基本上不用識(shí)多少字，小學(xué)程度即可，要求他必須懂得美術(shù)原理才發(fā)給操作證可以上崗，屬于一種無理取鬧的行為。
對(duì)設(shè)計(jì)名片的美工師傅的最大的要求是能夠理解客戶的要求，并且能夠用版面的排列、字體的選擇、顏色的搭配來表達(dá)客戶的意圖，我們完全沒有必要要求美工師傅會(huì)做各種字體的鉛字、讀過大部頭的《照相原理》、精通印刷機(jī)械。
相應(yīng)地，我們對(duì)客戶就應(yīng)該只有一個(gè)要求：簡(jiǎn)單、明確的提出他的意圖。
集成電路的情況也是這樣，用戶提出他的芯片具有的功能，設(shè)計(jì)的過程是將功能翻譯成版圖，制造的過程是用版圖印刷出芯片。
印刷和芯片的驚人的類似之處是，美工師傅只要使用字庫(kù)里的各種字體就可以了，沒有必要自己親自作出一個(gè)個(gè)的字體來；芯片設(shè)計(jì)師實(shí)際上也只要使用單元庫(kù)里的單元就可以了。
印刷和芯片的另一個(gè)更驚人的類似之處是，當(dāng)字庫(kù)里沒有某個(gè)特定的符號(hào)時(shí)，比如一個(gè)不常見的商標(biāo)，美工師傅就要親自做出這個(gè)符號(hào)來；芯片設(shè)計(jì)師有時(shí)也會(huì)遇到庫(kù)里沒有的單元，他也需要親自畫出這個(gè)單元的版圖來。
放大和開關(guān)原理
一、三極管的電流放大原理
晶體三極管（以下簡(jiǎn)稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。
是NPN管的結(jié)構(gòu)圖，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，從圖可見發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極。
當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。
在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正確，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）極基區(qū)的多數(shù)載流子（控穴）很容易地截越過發(fā)射結(jié)構(gòu)互相向反方各擴(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流Ie。
由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)紀(jì)念給，從而形成了基極電流Ibo根據(jù)電流連續(xù)性原理得：
Ie=Ib+Ic
這就是說，在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：
β1=Ic/Ib
式中：β--稱為直流放大倍數(shù)，
集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：
β= △Ic/△Ib
式中β--稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時(shí)β1和β的數(shù)值相差不大，所以有時(shí)為了方便起見，對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分，β值約為幾十至一百多。
三極管是一種電流放大器件，但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?
二、三極管的特性曲線
1、輸入特性
（b)是三極管的輸入特性曲線，它表示Ib隨Ube的變化關(guān)系，其特點(diǎn)是：1）當(dāng)Uce在0-2伏范圍內(nèi)，曲線位置和形狀與Uce 有關(guān)，但當(dāng)Uce高于2伏后，曲線Uce基本無關(guān)通常輸入特性由兩條曲線（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。
2）當(dāng)Ube＜UbeR時(shí)，Ib≈O稱（0～UbeR)的區(qū)段為“死區(qū)”當(dāng)Ube＞UbeR時(shí)，Ib隨Ube增加而增加，放大時(shí)，三極管工作在較直線的區(qū)段。
3）三極管輸入電阻，定義為:
rbe=(△Ube/△Ib)Q點(diǎn)，其估算公式為：
rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏）
rb為三極管的基區(qū)電阻，對(duì)低頻小功率管，rb約為300歐。
2、輸出特性
輸出特性表示Ic隨Uce的變化關(guān)系（以Ib為參數(shù)）從圖2（C）所示的輸出特性可見，它分為三個(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。
截止區(qū) 當(dāng)Ube＜0時(shí)，則Ib≈0，發(fā)射區(qū)沒有電子注入基區(qū)，但由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，集電集仍有小量電流通過，即Ic=Iceo稱為穿透電流，常溫時(shí)Iceo約為幾微安，鍺管約為幾十微安至幾百微安，它與集電極反向電流Icbo的關(guān)系是：
Icbo=(1+β)Icbo
常溫時(shí)硅管的Icbo小于1微安，鍺管的Icbo約為10微安，對(duì)于鍺管，溫度每升高12℃，Icbo數(shù)值增加一倍，而對(duì)于硅管溫度每升高8℃，Icbo數(shù)值增大一倍，雖然硅管的Icbo隨溫度變化更劇烈，但由于鍺管的Icbo值本身比硅管大，所以鍺管仍然受溫度影響較嚴(yán)重的管，放大區(qū)，當(dāng)晶體三極管發(fā)射結(jié)處于正偏而集電結(jié)于反偏工作時(shí)，Ic隨Ib近似作線性變化，放大區(qū)是三極管工作在放大狀態(tài)的區(qū)域。
飽和區(qū) 當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏狀態(tài)時(shí)，Ic基本上不隨Ib而變化，失去了放大功能。根據(jù)三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)偏置情況，可能判別其工作狀態(tài)。
三極管的輸入特性與輸出特性
截止區(qū)和飽和區(qū)是三極管工作在開關(guān)狀態(tài)的區(qū)域，三極管和導(dǎo)通時(shí)，工作點(diǎn)落在飽和區(qū)，三極管截止時(shí)，工作點(diǎn)落在截止區(qū)。
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