三極管狀態特性實驗設計

楊曉慧 張宏輝

摘 ?要 以光控路燈模型為研究對象，設計三極管狀態特性的系列實驗。借助DISLab、Multisim等軟件對三極管狀態特性進行實驗研究，實驗顯示，DISLab、Multisim采集的數據能夠較好地呈現三極管特性，加深學生對三極管的理解。此外，Multisim的使用，擴充了實驗時間、空間和內容，適合學生開展電路創新設計。

關鍵詞 三極管;光控路燈模型;DISLab;Multisim

中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：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器件。理解三極管的工作原理和學會正確判斷三極管的三種狀態是日常教學中的重難點，也是浙江省技術選考中的重要內容。本文通過光控路燈模型的實驗探究，借助朗威DISLab、Multisim等軟件研究三極管狀態特性。

2 三極管狀態特性理論初探

根據三極管特性，三極管由發射區、基區和集電區組成，三個區之間形成兩個結（發射結、集電結），存在放大、飽和和截止區三種工作狀態[1]，如圖1所示。在實驗教學中，可以設計以下三個方向的話題進行探討，引導學生從理論層面探究三極管的工作原理，加深理解三個區的特性、三種狀態，促進他們進行深度學習。

1）明確三極管三個區的特點：發射區摻雜濃度最高，集電區摻雜濃度最低;集電區的面積最大;基區最薄。

2）明確發射區的多數載流子即電子穿過發射結的條件：發射結加正偏電壓。

3）明確多數載流子即電子到達基區后如何穿過集電結。這個知識點是理解三極管工作原理的難點。首先，學生得明白此時在基區的是發射區過來的電子，而非原本P區里的空穴。其次，電子過集電結無須加外電場，若加與集電結相同的電場即加反偏電壓，電子更易到集電區;若加與集電結相反的電場，即正偏電壓，只要電場不是太大，電子也能順利到達集電區。只需破解為什么加反偏電壓電荷能過PN結即可。最后形成一個知識點：導通與否由發射區的偏置電壓決定，而在集電結所加的電壓卻是正偏和反偏均可以。

3 三極管狀態特性的電路定性分析

針對三極管放大、飽和、截止三種工作狀態，搭建兩個電路學生實驗[本實驗選用的三極管為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]。

學生實驗一：改變光敏電阻的阻值，觀察發光二極管亮與滅。

學生實驗二：調整Rp大小，觀察燈泡的亮度變化。

實驗電路圖如圖2所示，路燈模型實物圖如圖3所示。引發學生思考下面兩個問題。

1）為何發光二極管隨光線的變化會有亮或滅兩種狀態？（設計意圖：引導學生對三極管通斷的判斷。）

2）Rp的大小發生變化時，觀察燈泡的亮度變化。（設計意圖：引導學生感受三極管的三種工作狀態。）

4 三極管狀態特性的DISLab定量測定

本文探究實驗借助朗威DISLab數據采集平臺，選用的定量采集器為多量程（20 mA、200 mA、2 A三個檔位）的電流傳感器、多量程（0.2 V、2 V、20 V三個檔位）的電壓傳感器等。

探究Ib與Ic的關系 ?根據三極管的伏安特性曲線，三極管三種狀態最直觀關系是Ic隨Ib變化。搭建演示實驗，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的數據，繪制Ic（縱軸）隨Ib（橫軸）變化的圖，如圖6所示。

實驗數據分析：當Rp較小時，Ib=0，此時Ic=0，三極管處于截止狀態;增大Rp的過程中，Ic與Ib成正比，Ic=βIb，β為放大系數，此時三極管處于放大狀態;當Rp繼續增大時，Ic達到最大值，Ic不受Ib控制，此時三極管處于飽和狀態[2]。

探究Ube、Uce特性曲線 ?搭建圖7所示的演示實驗，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燈的數據，如圖8所示;導出相應的數據，如表1所示。

實驗數據分析：三極管處于導通狀態時，Ube的變化范圍在0.6～0.9 V之間，平常視作為導通電壓為0.7 V;隨電泡變亮后，Uce降到0.7 V以下，三極管進入飽和;進一步增大Ib后，Uce降到0.2 V左右，此時三極管進入深度飽和[2]。結合理論分析，進一步明確Uce大于0.7 V則集電結反偏，處于放大狀態;Uce小于0.7 V則集電結正偏，處于飽和狀態。另外，其中Uce和U燈的和隨電流增大而減小，是因為電池組內的內阻不可忽略;若使用發光二極管加保護電阻，則電池內阻的影響會小很多，但發光二極管在演示三個狀態時不如小燈泡明顯。

5 三極管狀態特性的Multisim仿真分析

通過朗威DISLab數據驗證三極管狀態特性后，本文采用Multisim仿真軟件來進一步探究三極管特性實驗，驗證仿真實驗的數據與真實的采集實驗數據具有統一性。在Multisim平臺上搭建仿真電路圖，如圖9、圖10、圖11所示。運行仿真功能，調整Rp的大小，獲取相應的數據，如表2、表3所示。

根據表2數據，繪制Ic隨Ib變化的關系圖，如圖12所示。對比圖5，可以得到同樣的規律。此外，通過分析仿真數據，更容易驗證這個結論：不管三極管處于何種狀態，Ie=Ib+Ic。

實驗數據分析：對比表1與表3，同樣可以得出三極管三種不同狀態時Ube、Uce的特點。但由于仿真軟件采用了理想的元器件，實驗數據與理論值更加接近;而在真實的電路實驗中，因各個元器件的標稱值存在誤差，在一定的誤差范圍內，實驗數據與理論值相符合。

6 結語

本文通過對三極管三種工作狀態的電路研究，以光控路燈模型為實驗對象，設計了三極管狀態特性的系列實驗。借助DISLab、Multisim等軟件，對三極管三種工作狀態進行實驗研究。通過實驗的對比分析，DISLab、Multisim采集的數據能夠較好地呈現三極管特性狀態，加深學生對三極管工作原理的理解。此外，Multisim仿真軟件的使用，擴充了實驗時間、空間和內容，適合學生開展電路創新設計。Multisim仿真軟件不僅可以培養學生的學習興趣、鞏固理論知識，更能讓學生在實驗環境中運用理論知識，即從課堂學習過渡到動手實踐，使教學更富有成效。

參考文獻

[1]康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，

2006：102-103.

[2]博伊斯坦.模擬電子技術[M].北京：電子工業出版社，

2016：122-129.