晶体管的电压电流特性分析

时间：2026-01-23 理论教育景枫版权反馈

【摘要】：图3-5 晶体管的输入特性与转移特性曲线由于在图3-4所示电路中晶体管发射结是一个正向偏置的PN结，所以输入特性曲线与正向偏置的二极管伏安特性曲线相同。晶体管输出电压uCE的大小对iB的影响很小，因此，输入特性通常近似用一条曲线来表示即可。由图3-4所示的电路可以测量晶体管的输出特性。图3-6 晶体管的输出特性曲线1）截止区：是iB=0时的iC-uCE曲线和横轴所包围的区域。

通常用各极电流与电压之间的关系曲线来描述晶体管的外特性，分为输入特性、转移特性和输出特性。用图3-4所示电路可以测试这些特性曲线（以NPN管为例）。图中R_B叫作基极偏置电阻，R_C叫作集电极偏置电阻，晶体管为NPN型硅管。

图3-4 晶体管特性的测试电路

1.输入特性与转移特性

对于一般的二端口网络来说，输入特性是指以输出端口的电压（或电流）为参变量时，输入电流与输入电压之间的变化关系，相应的曲线叫作输入特性曲线。

晶体管的输入特性是指以集-射电压u_CE为参变量时，基极电流i_B和发射结偏压u_BE之间的关系，即输入特性函数为

图3-4所示电路中的初始状态是：RP₁和RP₂的滑动触头均置于最下端，使两只电压表和两只电流表的读数均为零，即u_BE=0V，i_B=0mA，u_CE=0V，i_C=0μA。

测量时首先选定参量u_CE（可通过调节电位器RP₂和观测电压表V₂来确定），然后逐渐调节电位器RP₁和观测电压表V₁来使u_BE逐渐增大，同时观测μA表和mA表的变化情况（例如u_BE在0～1V范围内变化，且每隔0.05V记录一次i_B和i_C的数值）。如图3-5所示为u_CE=0V和u_CE≥1V时的输入特性曲线和转移特性曲线。

图3-5 晶体管的输入特性与转移特性曲线

由于在图3-4所示电路中晶体管发射结是一个正向偏置的PN结，所以输入特性曲线（图3-5a）与正向偏置的二极管伏安特性曲线相同。晶体管输出电压u_CE的大小对i_B的影响很小，因此，输入特性通常近似用一条曲线来表示即可。

由图3-5a可知，只有当u_BE大于0.5V（该电压称为晶体管的“死区电压或开启电压U_th”）时，i_B才随u_BE的增大而迅速上升，锗管的U_th≈0.1V。管子呈导通状态后，基极与射极之间的电压叫作“晶体管的导通电压”，并用U_BE（on）表示。晶体管的导通电压与制造材料有关，在工程估算中常取硅管的U_BE（on）≈0.7V，锗管的U_BE（on）≈0.2V。

晶体管的转移特性指以集-射电压u_CE为参变量时，集电极电流i_C和发射结偏压u_BE之间的关系，即转移特性函数为

该特性曲线与输入特性曲线形状相似，只不过是纵坐标为i_C，且为mA数量级，如图3-5b所示。

晶体管导通时的近似公式为

式中，I_S为反向饱和电流（A），其数值取决于测量结果，一般硅管在10^-14A数量级；U_T为温度电压当量，在室温25℃左右时，U_T值约为26mV。

尽管晶体管属于非线性器件，但当它工作在放大状态时，基本符合线性特性。

需要指出，一般在实际应用中，晶体管的基极电流i_B在几十微安到几百微安，集电极电流i_C或发射极电流i_E在几百微安到几十毫安。

2.输出特性

晶体管的输出特性是指以基极电流i_B（或发射结偏压u_BE）为参变量时，集电极电流i_C和集-射电压u_CE之间的关系，即输出特性函数为

由于晶体管的基极电流i_B对集电极电流i_C和集-射电压u_CE有较大影响，所以不同的基极电流，将有不同的输出特性。

由图3-4所示的电路可以测量晶体管的输出特性。测量时首先选定参量i_B（可通过调节电位器RP₁和观测μA电流表来确定），然后逐渐调节电位器RP₂和观测电压表V₂来使u_CE逐渐增大，同时观测mA表的变化情况（例如u_CE在0～10V范围内变化，且每隔0.5V记录一次i_C的数值）。图3-6画出了i_B=0、10、20～50μΑ时输出特性的一族曲线。

输出特性曲线可分为三个不同的工作区域：截止区、放大区和饱和区。

图3-6 晶体管的输出特性曲线

1）截止区：是i_B=0时的i_C-u_CE曲线和横轴（u_CE轴）所包围的区域。此时集电极电流i_C=I_CEO很小，叫作穿透电流。一般情况下可以认为晶体管的集-射极间开路，即i_C≈i_E≈0，相当于开关断开。由前面的输入特性可知，当u_BE≤U_th时，有i_B=0。在实际应用中，认为晶体管可靠截止的条件是：发射结和集电结均处于反偏或零偏（即晶体管的两个PN结均不导通）。

由于晶体管的集电极C通常接有直流电源（NPN型C极接电源正极，PNP型C极接电源负极），所以对NPN型晶体管来说，截止时基极电位小于或等于发射极电位和集电极电位，并且集电极电位最高，即U_B≤U_E≤U_C。而对PNP型晶体管来说，基极电位大于或等于发射极电位和集电极电位，并且集电极电位最低，即U_B≥U_E≥U_C。

2）放大区：如图3-6所示，输出特性曲线比较平直的部分叫作放大区，在此区域，集电极电流i_C受到基极电流i_B的控制，且i_C=βi_B，但与u_CE基本无关。可以看出在放大区内，晶体管的集电极电流相当于受基极电流控制的恒流源所发出的电流。放大电路中的晶体管都工作在该状态。

对处于放大区内的NPN型晶体管来说，当发射结处于正偏（U_B＞U_E），且u_BE＞U_th时，才有i_B≠0，即晶体管导通。同时在实际放大电路中，集-射电压u_CE要有较大的动态范围，所以通常要求设置较高的静态（直流）电压U_CE（大约为集电极直流供电电源电压的1/3到2/3），因此集电极电位要大于基极电位和发射极电位，即U_C＞U_B＞U_E。而对处于放大区内的PNP型晶体管来说，则要求U_C＜U_B＜U_E。这表明无论哪种类型的晶体管，处于放大状态的条件都是：发射结处于正偏，集电结处于反偏。

3）饱和区：在输出特性曲线族的每一条曲线上都存在这样一点S，该点是特性曲线平直部分和弯曲部分的拐点，叫作放大与饱和之间的临界点，这些临界点的连线叫作临界饱和线。如图3-6中临界饱和线左边的阴影部分叫做饱和区，晶体管的临界饱和线是放大区与饱和区的分界线。在临界状态下，集电极电位等于基极电位（U_C=U_B），此时的集-射电压叫作临界饱和压降，用U_CES表示，显然U_CES=U_C-U_E=U_B-U_E=U_BE（on），即临界饱和压降U_CES应等于发射结导通电压U_BE（on）。对于硅管U_CES≈0.7V，锗管U_CES≈0.2V。对NPN型晶体管来说，当U_B＞U_C时，不再满足放大条件（U_C＞U_B＞U_E），集电结也处于正偏，这时晶体管就处于深饱和状态，集-射电压叫作饱和管压降或饱和压降，用U_CE（sat）表示。一般情况下，硅管的饱和压降U_CE（sat）≈0.3V，锗管的饱和压降U_CE（sat）≈0.1V。(https://www.xing528.com)

综上所述，NPN型晶体管处于饱和状态的条件是U_E＜U_C≤U_B，由于PNP型晶体管各极电流实际方向与NPN型晶体管的相反，所以PNP型晶体管处于饱和状态的条件是U_B≤U_C＜U_E。这表明无论哪种类型的晶体管，处于饱和状态的条件都是：发射结和集电结均处于正偏。饱和状态下的集电极电流i_C与基极i_B基本无关，i_C≠βi_B，即i_B失去对i_C的控制，各极电流主要由外电路决定。同时晶体管集-射电压（管压降）u_CE较小，一般可认为C、E间短路，相当于开关闭合。

在理论分析中，一般情况下判断电路中晶体管截止或导通是比较容易的，可以直接根据晶体管发射结偏压的大小来确定是否处于截止状态。若发射结处于零偏或反偏，则必然处于截止状态。若发射结处于正偏，则可能处于放大状态，也可能处于饱和状态。因此通常需要经过定量的计算来区分放大与饱和。

判断晶体管放大与饱和的方法之一是（以硅管NPN为例）：①先假设晶体管处于临界饱和状态，即假设集-射电压为U_CES≈0.7V，并结合电路参数估算出临界饱和状态下的集电极电流I_CS和基极电流I_BS（I_BS=I_CS/β）；②按实际电路参数估算晶体管的基极电流I_B；③比较I_B与I_BS的大小关系，若I_B＜I_BS，则表明晶体管处于放大状态；若I_B=I_BS，则表明晶体管处于临界饱和状态；若I_B＞I_BS，则表明晶体管处于深饱和状态。