1.3 半导体三极管

1.3.1 三极管的结构与分类

半导体三极管，又称双极型晶体管，简称三极管。三极管的种类很多，按照频率分，有高频管、低频管；按照功率来分，有大、中、小功率管；按半导体材料分，有硅管、锗管等。但是从它的外形来看，三极管都有三个电极，常见的三极管的外形如图1.9所示。

根据结构的不同，三极管一般可分为两种类型：NPN型、PNP型。这两种晶体三极管的结构示意图如图1.10所示，它有三个区：发射区、基区、集电区，各自引出一个电极，分别称为发射极e、基极b、集电极c。每个三极管的内部都有两个PN结。发射区和基区之间的PN结，称为发射结；集电区和基区之间的PN结，称为集电结。

必须指出，三极管并不是两个PN结的简单组合，其内部的三个区域必须具有如下特性：基区很薄且杂质浓度很低，发射区杂质浓度高，集电结面积大。这是三极管具有电流放大作用的内部原因。因此三极管不能用两个二极管代替，也不可以将发射极与集电极互换使用。

NPN型三极管和PNP型三极管的图形符号中发射极e的箭头，表示发射结加正向电压时的电流方向。

常用三极管型号来表示它的制造材料、基本性能和用法。国产半导体器件命名法，可参阅本书附录B。

1.3.2 三极管的电流分配关系与放大作用

1.放大的概念

三极管与二极管的最大不同之处就是它具有电流放大作用。电子电路中所说的放大，有两方面含义：一是放大的对象是变化量，不是一个恒定量，例如，扩音机是把人讲话时声音的轻重和高低放大出来；二是指对能量的控制作用，即在输入端用一个小的变化量去控制能源，使输出端产生一个与输入变化量相应的大的变化量，体现了对能量的控制作用。具有对能量控制作用的器件，称为有源器件。下面所讲的三极管、场效应管、集成电路等都是有源器件。

2.实现放大作用的条件

三极管实现放大作用的外部条件，就是给它设置合适的偏置电压，即在发射结加正向电压（正向偏置），在集电结加反向电压（反向偏置）。因此，NPN管的集电极电位高于基极电位，基极电位又高于发射极电位，即UC>UB>UE；PNP型管的情况正好相反，即UE>UB>UC。图1.11画出这两种三极管的直流供电电路，其中VCC>VBB。

3.三极管的电流分配关系与放大作用

我们先来做个实验，观察一下三极管各个电极电流的情况及它们之间的关系，实验电路如图1.12所示，调节电位器RP，以改变基极电流IB，则可测得相应的IC和IE的数据。

表1-1列出了7组实验数据。

分析表中的数据可以得出如下结论：

① 三极管的发射极电流等于集电极电流与基极电流之和，即IE=IB+IC，且IC≫IB，IE≈IC。

② IB变化时，IC也跟着变化，IC受IB控制。只要IB有一个微小的变化，就能引起IC较大的变化，我们称这种现象为三极管的电流放大作用。电流放大作用的实质是通过改变基极电流IB的大小，达到控制IC的目的，因此双极型晶体三极管是一种电流控制元件。

③ Δ IC与Δ IB的比值几乎是一个常数，我们将这个比值称为共发射极交流电流放大系数，即

三极管集电极直流电流IC和相应的基极电流IB的比值称为直流放大系数，用表示，即

一般情况下，β与很接近，即-，通常β与-无须严格区分，可以混用。

1.3.3 三极管在电路中的基本连接方式

利用晶体三极管组成的放大电路可把其中一个电极作为信号的输入端，一个电极作为输出端，另一个电极作为输入、输出回路的共同端。根据共同端的不同，三极管可有三种连接方式（三种组态）：共发射极接法、共集电极接法和共基极接法。这三种基本连接方式如图1.13所示。

1.3.4 三极管的伏安特性

三极管的特性曲线是指各电极间电压和各电极电流之间的关系曲线。三极管的特性曲线常用的有输入特性和输出特性两种曲线。下面以常用的共发射极电路的输入、输出特性曲线为例来分析。图1.14是三极管特性测试电路示意图。

1.输入特性曲线

输入特性曲线是指当集电极与发射极之间电压UCE一定，基极与发射极之间电压UBE与基极电流IB之间的关系曲线。

我们可以通过实验来测试输入特性曲线。测试时，首先应固定UCE为某一个值，然后改变VBB，测量相对应的IB和UBE值。根据实验数值绘制出的两条输入特性曲线如图1.15所示。

根据输入特性曲线可得出如下结论：

① 当UCE=0时，相当于c、e短接，这时的三极管相当于两个二极管并联，所以它和二极管的正向伏安特性相似。

② 当UCE>0时，曲线形状基本不变，曲线位置随UCE增加向右平移，但当UCE>1V后，曲线基本重合。

③ 与二极管相似，发射结也存在门坎电压（或死区电压）Uth。小功率硅管的 Uth约为0.5V，锗管的Uth约为0.1V。

④ 正常工作时发射结正向压降变化不大，硅管的约为0.7V，锗管的约为0.3V。

2.输出特性曲线

输出特性曲线是指基极电流IB一定时，集电极电流IC与集电极—发射极之间电压UCE的关系曲线。测试时，先固定IB值，然后改变VCC，测出相对应的IC和UCE的值，如图1.16所示。

通常把输出特性曲线图分成 3 个工作区来分析三极管的工作状态，如表1-2所示。

1.3.5 三极管的主要参数

三极管的参数可以用来表征其性能优劣和适用的范围，是合理选用三极管的依据。

1.电流放大系数

三极管的电流放大系数是反映三极管电流放大能力强弱的参数，前面已经进行了阐述。选用三极管时β 值应适当，一般β 值太大的管子工作稳定性也较差。

2.反向饱和电流

（1）集电极—基极反向饱和电流ICBO

它是指发射极开路，集电结在反向电压作用下形成的反向电流，如图1.17（a）所示。ICBO受温度的影响很大，它随温度的升高而增加。常温下，小功率硅管的ICBO＜1μA，锗管的ICBO在10μA左右。ICBO的大小反映了三极管的热稳定性。ICBO越小其热稳定性越好。

（2）穿透电流ICEO

它是指基极开路，集电极—发射极间加上一定值的电压时，流过集电极和发射极之间的电流，如图1.17（b）所示。它与ICBO的关系为

ICEO受温度影响很大，温度升高，ICEO增大。穿透电流 ICEO的大小也是衡量三极管热稳定性的参数，硅管的ICEO比锗管的ICEO小。

3.极限参数

表征三极管安全工作的参数，叫作三极管极限参数，它是指三极管工作时不允许超过的极限工作条件，超过此界限，就会使三极管性能下降甚至毁坏，因而极限参数是保证管子安全运行和选择三极管的重要依据。

（1）集电极最大允许电流ICM

三极管的β 值在IC变化的一定范围内基本不变，但当IC超过一定的值时β 值就要下降。ICM是指β 值下降到正常值的2/3时所允许的最大集电极电流。当IC>ICM时，三极管性能将明显下降，甚至有烧坏管子的可能。因此，在实际使用中必须使IC＜ICM。

（2）集电极最大允许功耗PCM

它表示集电结上允许损耗的功率的最大值。超过此值就会使三极管性能变坏或烧毁。集电极实际损耗功率PC=ICUCE。三极管正常工作时必须满足PC＜PCM。根据PCM值，可以在共发射极特性曲线上画出最大功耗线，如图1.18所示。曲线左侧为安全工作区，右侧为过损耗区，三极管工作时不允许进入这个区域。值得注意的是，PCM值与环境温度有关，温度愈高，则PCM值愈小。在必要的情况下，可以采用加散热装置的办法来提高PCM值。

（3）集电极—发射极间反向击穿电压U(BR)CEO

它是基极开路时，加在集电极和发射极之间的反向击穿电压。当温度升高时 U(BR)CEO要下降，实际使用中必须使UCE＜U(BR)CEO。

【例1.1】 某三极管的输出特性曲线如图1.19所示。求三极管的电流放大系数β、穿透电流ICEO、反向击穿电压U(BR)CEO、集电极最大电流ICM及集电极最大功耗PCM。

解：本题的意图是根据特性曲线求三极管的参数，借助特性曲线更深刻地理解各参数的含义。

① 取Δ IB=60μA−40μA=20μA=0.02mA。从图1.19中可以看到对应的Δ IC=2.9mA−1.9mA=1mA。

β=Δ IC/Δ IB=1/0.02=50

② 由公式IC=βIB+ICEO可知，当IB=0, IC=ICEO，由图可知，IB=0的那条输出特性曲线所对应的集电极电流为10μA，所以ICEO=10μA。

③ U(BR)CEO为基极开路（IB=0），集电极c和发射极e之间的击穿电压。从IB=0的那条特性曲线可以看出，UCE>50V时IC迅速增大，所以U(BR)CEO为50V。

④ 过UCE=25V做垂线与PCM的交点的纵坐标IC=2mA，PCM=ICUCE=2×25=50mW。

⑤ ICM已从图中标出，ICM=5mA。

【例1.2】 若测得放大电路中三个三极管的三个电极对地电位U1, U2, U3分别为下述数值，试判断它们是硅管还是锗管，是NPN管还是PNP管，并确定e, b, c各极。

① U1=2.5V, U2=6V, U3=1.8V；

② U1= −6V, U2= −3V, U3= −2.7V；

③ U1= −1.7V, U2= −2V, U3=0V。

解：本题的解题思路是，首先根据两电极的电位差（硅管的为0.7V，锗管的为0.3V）找出发射结，从而确定集电极，并区分硅管还是锗管，其次根据发射极与集电极间的高低电位判别是NPN管还是PNP管，最后根据发射结两个电极电位高低区别发射极与基极。

① 由于1, 3脚间电位U13=U1−U3=0.7V，故1, 3脚间为发射结，2脚则为c极，该管为硅管。又U2>U1>U3，故该管为NPN型，且1脚为b极，3脚为e极。

② 由于|U23|=0.3V，故2, 3脚间为发射结，1脚为c极，该管为锗管。又U1＜U2＜U3，故该管为PNP型，且2脚为b极，3脚为e极。

③ 根据同样方法可以确定：该管是NPN型锗管，2脚为e极，1脚为b极，3脚为c极。

思考题

1.3.1 三极管的主要特性是什么？放大作用的实质是什么？

1.3.2 既然三极管是由两个PN结构成的，可否用两个二极管相连以构成一只三极管？试说明理由。

1.3.3 要使三极管具有放大作用，发射结和集电结的偏置电压应如何连接？

1.3.4 晶体管的发射极和集电极能否对调使用，为什么？