三極管狀態(tài)特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊曉慧 張宏輝

摘 ?要 以光控路燈模型為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)三極管狀態(tài)特性的系列實(shí)驗(yàn)。借助DISLab、Multisim等軟件對(duì)三極管狀態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)顯示，DISLab、Multisim采集的數(shù)據(jù)能夠較好地呈現(xiàn)三極管特性，加深學(xué)生對(duì)三極管的理解。此外，Multisim的使用，擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間和內(nèi)容，適合學(xué)生開(kāi)展電路創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 三極管;光控路燈模型;DISLab;Multisim

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）17-0125-03

1 前言

晶體三極管是電子電路中的核心器件之一，是集成電路中的基礎(chǔ)器件。理解三極管的工作原理和學(xué)會(huì)正確判斷三極管的三種狀態(tài)是日常教學(xué)中的重難點(diǎn)，也是浙江省技術(shù)選考中的重要內(nèi)容。本文通過(guò)光控路燈模型的實(shí)驗(yàn)探究，借助朗威DISLab、Multisim等軟件研究三極管狀態(tài)特性。

2 三極管狀態(tài)特性理論初探

根據(jù)三極管特性，三極管由發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)組成，三個(gè)區(qū)之間形成兩個(gè)結(jié)（發(fā)射結(jié)、集電結(jié)），存在放大、飽和和截止區(qū)三種工作狀態(tài)[1]，如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以設(shè)計(jì)以下三個(gè)方向的話題進(jìn)行探討，引導(dǎo)學(xué)生從理論層面探究三極管的工作原理，加深理解三個(gè)區(qū)的特性、三種狀態(tài)，促進(jìn)他們進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

1）明確三極管三個(gè)區(qū)的特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高，集電區(qū)摻雜濃度最低;集電區(qū)的面積最大;基區(qū)最薄。

2）明確發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子即電子穿過(guò)發(fā)射結(jié)的條件：發(fā)射結(jié)加正偏電壓。

3）明確多數(shù)載流子即電子到達(dá)基區(qū)后如何穿過(guò)集電結(jié)。這個(gè)知識(shí)點(diǎn)是理解三極管工作原理的難點(diǎn)。首先，學(xué)生得明白此時(shí)在基區(qū)的是發(fā)射區(qū)過(guò)來(lái)的電子，而非原本P區(qū)里的空穴。其次，電子過(guò)集電結(jié)無(wú)須加外電場(chǎng)，若加與集電結(jié)相同的電場(chǎng)即加反偏電壓，電子更易到集電區(qū);若加與集電結(jié)相反的電場(chǎng)，即正偏電壓，只要電場(chǎng)不是太大，電子也能順利到達(dá)集電區(qū)。只需破解為什么加反偏電壓電荷能過(guò)PN結(jié)即可。最后形成一個(gè)知識(shí)點(diǎn)：導(dǎo)通與否由發(fā)射區(qū)的偏置電壓決定，而在集電結(jié)所加的電壓卻是正偏和反偏均可以。

3 三極管狀態(tài)特性的電路定性分析

針對(duì)三極管放大、飽和、截止三種工作狀態(tài)，搭建兩個(gè)電路學(xué)生實(shí)驗(yàn)[本實(shí)驗(yàn)選用的三極管為NPN型（S8050），Vcc為6 V電池組，R1為110 Ω，Rp為5.1 kΩ，小燈泡（6 V，

0.5 A），下同]。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)一：改變光敏電阻的阻值，觀察發(fā)光二極管亮與滅。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)二：調(diào)整Rp大小，觀察燈泡的亮度變化。

實(shí)驗(yàn)電路圖如圖2所示，路燈模型實(shí)物圖如圖3所示。引發(fā)學(xué)生思考下面兩個(gè)問(wèn)題。

1）為何發(fā)光二極管隨光線的變化會(huì)有亮或滅兩種狀態(tài)？（設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生對(duì)三極管通斷的判斷。）

2）Rp的大小發(fā)生變化時(shí)，觀察燈泡的亮度變化。（設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生感受三極管的三種工作狀態(tài)。）

4 三極管狀態(tài)特性的DISLab定量測(cè)定

本文探究實(shí)驗(yàn)借助朗威DISLab數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，選用的定量采集器為多量程（20 mA、200 mA、2 A三個(gè)檔位）的電流傳感器、多量程（0.2 V、2 V、20 V三個(gè)檔位）的電壓傳感器等。

探究Ib與Ic的關(guān)系 ?根據(jù)三極管的伏安特性曲線，三極管三種狀態(tài)最直觀關(guān)系是Ic隨Ib變化。搭建演示實(shí)驗(yàn)，如圖4、圖5所示，基極接20 mA量程的電流傳感器，集電極接2 A量程的傳感器。改變Rp大小，采集Ic、Ib的數(shù)據(jù)，繪制Ic（縱軸）隨Ib（橫軸）變化的圖，如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：當(dāng)Rp較小時(shí)，Ib=0，此時(shí)Ic=0，三極管處于截止?fàn)顟B(tài);增大Rp的過(guò)程中，Ic與Ib成正比，Ic=βIb，β為放大系數(shù)，此時(shí)三極管處于放大狀態(tài);當(dāng)Rp繼續(xù)增大時(shí)，Ic達(dá)到最大值，Ic不受Ib控制，此時(shí)三極管處于飽和狀態(tài)[2]。

探究Ube、Uce特性曲線 ?搭建圖7所示的演示實(shí)驗(yàn)，Ube接2 V量程的電壓傳感器，Uce接20 V量程的電壓傳感器，U燈接20 V量程的電壓傳感器。改變Rp大小，采集Ube、Uce、U燈的數(shù)據(jù)，如圖8所示;導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如表1所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，Ube的變化范圍在0.6～0.9 V之間，平常視作為導(dǎo)通電壓為0.7 V;隨電泡變亮后，Uce降到0.7 V以下，三極管進(jìn)入飽和;進(jìn)一步增大Ib后，Uce降到0.2 V左右，此時(shí)三極管進(jìn)入深度飽和[2]。結(jié)合理論分析，進(jìn)一步明確Uce大于0.7 V則集電結(jié)反偏，處于放大狀態(tài);Uce小于0.7 V則集電結(jié)正偏，處于飽和狀態(tài)。另外，其中Uce和U燈的和隨電流增大而減小，是因?yàn)殡姵亟M內(nèi)的內(nèi)阻不可忽略;若使用發(fā)光二極管加保護(hù)電阻，則電池內(nèi)阻的影響會(huì)小很多，但發(fā)光二極管在演示三個(gè)狀態(tài)時(shí)不如小燈泡明顯。

5 三極管狀態(tài)特性的Multisim仿真分析

通過(guò)朗威DISLab數(shù)據(jù)驗(yàn)證三極管狀態(tài)特性后，本文采用Multisim仿真軟件來(lái)進(jìn)一步探究三極管特性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)與真實(shí)的采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一性。在Multisim平臺(tái)上搭建仿真電路圖，如圖9、圖10、圖11所示。運(yùn)行仿真功能，調(diào)整Rp的大小，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如表2、表3所示。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制Ic隨Ib變化的關(guān)系圖，如圖12所示。對(duì)比圖5，可以得到同樣的規(guī)律。此外，通過(guò)分析仿真數(shù)據(jù)，更容易驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論：不管三極管處于何種狀態(tài)，Ie=Ib+Ic。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：對(duì)比表1與表3，同樣可以得出三極管三種不同狀態(tài)時(shí)Ube、Uce的特點(diǎn)。但由于仿真軟件采用了理想的元器件，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值更加接近;而在真實(shí)的電路實(shí)驗(yàn)中，因各個(gè)元器件的標(biāo)稱值存在誤差，在一定的誤差范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值相符合。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)三極管三種工作狀態(tài)的電路研究，以光控路燈模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了三極管狀態(tài)特性的系列實(shí)驗(yàn)。借助DISLab、Multisim等軟件，對(duì)三極管三種工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，DISLab、Multisim采集的數(shù)據(jù)能夠較好地呈現(xiàn)三極管特性狀態(tài)，加深學(xué)生對(duì)三極管工作原理的理解。此外，Multisim仿真軟件的使用，擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間和內(nèi)容，適合學(xué)生開(kāi)展電路創(chuàng)新設(shè)計(jì)。Multisim仿真軟件不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鞏固理論知識(shí)，更能讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)用理論知識(shí)，即從課堂學(xué)習(xí)過(guò)渡到動(dòng)手實(shí)踐，使教學(xué)更富有成效。

參考文獻(xiàn)

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，

2006：102-103.

[2]博伊斯坦.模擬電子技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，

2016：122-129.