晶体管的饱和状态和饱和压降

本帖最后由 gk320830 于 2015-3-7 22:11 编辑

众所周知，一个普通的双极型晶体管有二个PN结、三种工作状态（截止、饱和、放大）和四种运用接法（共基、共发、共集和倒置）。对这两个PN结所施加不同的电位，就会使晶体管工作于不同的状态：两个PN结都反偏——晶体管截止；两个PN结都导通——晶体管饱和：一个PN结正偏，一个PN结反偏——晶体管放大电路（注意：如果晶体管的发射结反偏、集电结正偏，就是晶体管的倒置放大应用）。要理解晶体管的饱和，就必须先要理解晶体管的放大原理。
从晶体管电路方面来理解放大原理，比较简单：晶体管的放大能力，就是晶体管的基极电流对集电极电流的控制能力强弱。控制能力强，则放大大。但如果要从晶体管内部的电子、空穴在PN结内电场的作用下，电子、空穴是如何运动的、晶体管的内电场对电子、空穴是如何控制的等一些物理过程来看，就比较复杂了。
对这个问题，许多教课书上有不同的描述。我对此问题的理解是：当晶体管处于放大状态时，基极得到从外电源注入的电子流，部分会与基区中的空穴复合，此时产生的复合电流，构成了基极电流的主体。由于此时晶体管是处于放大状态，故集电结处于反偏。又因集电结的反偏，就在此PN结的内部，就形成了一个强电场，电场的方向由集电极指向基极，即集电极为正，基极为负。也就是说，在此PN结（集电结）联接集电极的一端，集中了大量带正电的空穴。当从基极注入的电子流进入基区后，一部分与基区内部的空穴进行了复合，而大部分电子则在强电场的作用下，被“拉”到了集电极，这种被电场“拉”到集电极的电子流，构成了集电极电流的主要组成部分。由于从基极注入的电子流，只有很少一部分在基区被复合，大部分电子是在集电结的强电场的作用下，集中到了集电极，构成了集电极电流的主体，所以，此时的集电极电流要远大于从基极注入的电流，这就是晶体管放大功能的物理模型。此时，是以NPN型晶体管进行举例。如果是PNP型晶体管，则只要把晶体管的极性由正换成负就行。
如果要从基极电流、集电极电流、发射极电流的组成、流动，PN结的能级等等方面来讲清晶体管的放大机理，就更复杂了。这在许多专业的教课书都有解释。
现在的问题是：如果增大晶体管基极的电流注入，晶体管还能工作在放大区吗？如果不能，则晶体管会从放大状态，向什么状态过渡？另外，基极电流的注入，能不能无限增加？也就是说，晶体管对基极电流有限制吗？限制的条件是什么？这就要从晶体管的放大状态，进入另一个状态的——饱和状态的讨论。在下面的讨论中，以共发射极电路进行。其它形式的放大电路，都可以用这种方法进行。
众所周知，从晶体管的发射极、基极和集电极电位的关系中，可以非常方便地对晶体管的工作状态作出判断。对处于共发射极放大的NPN型晶体管而言，集电极电位>基极电位>发射极电位时，晶体管工作于放大状态。随着基极注入电流的增大，流出该管的集电极电流也就增大。此时流过负载电阻Rc的电流同时增加。此时，因晶体管工作于放大状态，故晶体管的集电极电流可用由下式表示：
Ic=Iceo+β*ib
当忽略晶体管的反向漏电流Iceo时，
Ic≈β*ib
可见，随着基极电流的增加，集电极电流以基极电流的β倍同步增加。此时，串于集电极回路的电阻Rc上的压降，也就随着Ic增大而增大。因晶体管的集电极电位Vce=电源电压减去集电极Rc上的压降，即
Vce=Vc—Ic*Rc；
对于硅材料组成的双极型晶体管来讲，PN结的正向导通电压为0.7V，因此一般在工程中认为：当基极注入的电流，让晶体管的Ic与Rc的积满足下列公式时
（Vce-Ic*Rc）-Vb≦0V（注意：此时集电结近似零偏压，已不是原来的反偏状态了）
式中：Vce为晶体管集电极——发射极间的电压，
Vb为晶体管基极的电压。
就认为此晶体管已开始进入饱和状态。但因这时晶体管的Ic仍能随着Ib的增大而增大，只是已不符合Ic=Iceo+β*ib而已。这就是在工程中常说的“晶体管处于临界饱和状态”，又称“临界工作状态”。
此时如果继续加大基极的注入电流，晶体管的集电极电位将进一步降低，当出现晶体管的基极注入已不能使晶体管的Ic随之增大时（即（Vce-Ic*Rc）-Vb=常数时），我们就称此晶体管“进入深饱和状态”。此时，晶体管的基极电位为最高（此现象，对N-P-N晶体管而言。如果是P-N-P型晶体管，则只要在所有电源前加一负号即可得出相同的结论），即晶体管的两个PN结均处于正偏状态。
由此可以得出晶体管饱和的定义：当晶体管的两个PN结均处于正偏时，此晶体管就处于饱和状态。
在实际的放大应用中，如果放大电路是用于小信号放大，只要晶体管的静态工作点设置正确，晶体管一般不会进入饱和区。但如果晶体管放大电路处理的是信号幅值较大的信号，例音频功放的输出级，则晶体管极有可能进入饱和区。此时，就会在输出波形上出现“削顶”现象。这就是因输入信号的幅值太高，晶体管进入饱和区后，对信号失去放大作用，同时对信号产生限幅作用后的结果。
由此可得出第一个问题的答案：随着基极电流的增加，晶体管的工作状态将由放大区向饱和区过渡，当基极注入的电流达到一定程度时，晶体管的饱和程度将加深。最后出现无论基极电流怎么增加，集电极电流将维持不变，此时，晶体管进入深饱和状态。
在以上叙述中，没有提到电流的量纲问题。也就是说，晶体管在小电流工作时，同样会出现饱和状态。实际上，晶体管的静态工作点设置偏左上方时，也就是当电路的Vc较低、Rc较大时，晶体管就较容易进入饱和状态。也就是说，晶体管工作时的动态范围与所设置的晶体管工作点密切相关，而与晶体管的能流过多大的电流无关。