2.2　三极管

半导体三极管是组成各种电子放大电路及开关电路的主要器件，电子电路若离开了三极管将是“一事无成”的。因此，要了解半导体三极管的基础知识，掌握各种三极管的外形、作用、应用及检测。

2.2.1　三极管的结构与符号

半导体三极管又称晶体三极管（下称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。

三极管从结构上来讲分为两类：NPN型三极管和PNP型三极管，如图2-7所示为三极管的结构示意图和符号。

符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。

2.2.2　三极管的分类与外形

三极管从应用的角度讲，种类很多。三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管；也可以由锗材料制成，称为锗三极管；根据工作频率分为高频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。

（1）几种常见三极管的外形及特点

①小功率三极管。小功率三极管是电子产品中用得最多的三极管之一。在通常情况下，把集电极最大允许耗散功率PCM在1W以下的三极管称为小功率三极管。具体形状有很多，主要用来放大交、直流信号如用来放大音频、视频的电压信号，作为各种控制电路中的控制器件等。常见的小功率三极管外形如图2-8所示。

②中功率三极管。中功率三极管主要用在驱动和激励电路，为大功率放大器提供驱动信号。通常情况下，集电极最大允许耗散功率PCM在1～10W的三极管称为中功率三极管。常见的中功率三极管外形如图2-9所示。

③大功率三极管。集电极最大允许耗散功率PCM在10W以上的三极管称为大功率三极管。由于大功率三极管耗散功率较大，工作时往往会引起芯片内温度过高，所以要设置散热片，根据这一特征可以判别是否是大功率三极管。大功率三极管常在大功率放大器中使用，通常情况下，三极管输出功率越大，其体积也越大，在安装时所需要的散热片也越大。常见的大功率三极管外形如图2-10所示。

（2）贴片三极管的外形及特点

采用表面贴装技术SMT（Surface Mounted Technology）的三极管称为贴片三极管。贴片三极管有三个引脚的，也有四个引脚的。在四个引脚的三极管中，比较大的一个引脚是集电极，两个相通引脚是发射极，余下的一个引脚是基极。常见贴片三极管外形如图2-11所示。

（3）几种特殊三极管的外形及特点

①带阻尼三极管。带阻尼三极管是将三极管与阻尼二极管、保护电阻封装为一体构成的特殊三极管，常用于彩色电视机和计算机显示器的行扫描电路中。常见带阻尼三极管外形如图2-12所示。

②差分对管。差分对管是将两只性能参数相同的三极管封装在一起构成的电子器件，一般用在音频放大器或仪器、仪表的输入电路作差分放大管。常见差分对管外形如图2-13所示。

③达林顿管。达林顿管是复合管的一种连接形式。它是将两只三极管或更多只三极管集电极连在一起，而将第一只三极管的发射极直接耦合到第二只三极管的基极，依次级联而成。达林顿管的放大系数很高，主要用于高增益放大电路、电动机调速、逆变电路以及继电器驱动、LED显示屏驱动等控制电路。常见达林顿管外形如图2-14（a）所示，内部等效电路如图2-14（b）所示。

④带阻三极管。带阻三极管是指基极和发射极之间接有一只或两只电阻并与晶体管封装为一体的三极管。由于带阻三极管通常应用在数字电路中，因此带阻三极管有时候又被称为数字三极管或者数码三极管。带阻三极管通常作为一个中速开关管，在电路中可看作一个电子开关，但其饱和导通时，管压降很小。广泛应用于电视机、影碟机、录像机、DVD及显示器等家电产品中。常见带阻三极管外形如图2-15所示。

2.2.3　三极管电流分配原则及放大作用

（1）三极管的工作电压

要实现三极管的电流放大作用，首先要给三极管各电极加上正确的电压。三极管实现放大的外部条件是：其发射结必须加正向电压（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。

（2）三极管的电流放大作用

为了了解三极管的电流分配原则及其放大原理，首先做一个实验，实验电路如图2-16所示。在电路中，要给三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保证三极管能起到放大作用。改变可变电阻Rb的值，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，电流的方向如图中所示，实测数据如表2-2所示。

由实验及测量结果可以得出以下结论。

①实验数据中的每一列数据均满足关系：IE=IC+IB；此结果符合基尔霍夫电流定律。

②每一列数据都有IC≫IB，IC≈IE，而且有IC与IB的比值近似相等，大约等于50。

将输入电流IB与输出电流IC之比称为共发射极直流电流放大系数，定义式为：

将输入电流的变化量与输出电流产生的相应变化量之比称为共发射极交流电流放大系数，定义式为：

一般情况下，同一只管子的β值略大于，但两者很接近，在应用时可相互代替。β值一般在几十至几百之间，这说明，当IB有一微小变化，就能引起IC较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。

2.2.4　三极管的特性曲线

（1）三极管的特性曲线

三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。以NPN型硅三极管为例，其常用的特性曲线有以下两种。

①输入特性曲线。它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性曲线如图2-17所示。由于基极与发射极之间的发射结相当于一个二极管，所以输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似，只有当VBE大于死区电压时，三极管才出现基极电流。这个死区电压的大小与三极管的材料有关：硅管约0.5V，锗管约0.2V。这是检查三极管或电路是否正常的重要依据。

②输出特性曲线。它是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如图2-18所示。

一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，下面分别介绍。

a.截止区。图2-18中，IB=0以下的区域，即VBE在死区电压内，故发射结为反向偏置。三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点：

（a）发射结和集电结均反向偏置；

（b）若不计穿透电流ICEO，有IB、IC近似为0；

（c）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。

b.放大区。图2-18中，输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工作在放大状态时，具有以下特点：

（a）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置；

（b）基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，电流关系式为：IC=βIB；

（c）对于NPN管子电位应VC>VB>VE，对于PNP管子电位应VE>VB>VC。

c.饱和区。图2-18中，三极管工作在饱和状态时具有如下特点：

（a）三极管的发射结和集电结均正向偏置；

（b）三极管的电流放大能力下降，通常有IC<βIB；

（c）UCE的值很小，称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V；

（d）三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。

三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。

在以上三个区域，三极管偏置电压的特点及电流特征等如表2-3所示。

2.2.5　三极管的主要参数

三极管的参数有很多，如电流放大系数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查半导体手册来得到。三极管的参数是正确选定三极管的重要依据，下面介绍三极管的几个主要参数。

（1）共发射极电流放大倍数

①共发射极直流放大倍数（有时写作hFE）。

②共发射极交流放大倍数β（有时写作hfe）。

它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大倍数。

同一只三极管，在相同的工作条件下，≈β。选用管子时，β值应适当，β值太大的管子工作稳定性差。

β的标注方法常用色标法和英文字母标注法两种。色标法是用各种不同颜色的色点表示β的大小，通常色点涂在管壳的顶面。

（2）极间反向电流

①集电极基极间的反向饱和电流ICBO。指发射极开路，集电结加反向电压时测得的集电极电流。良好的晶体管ICBO应很小。

②集电极发射极间的穿透电流ICBO。指基极开路，集电极与发射极之间的反向电流，又称为穿透电流。ICEO受温度影响很大，温度越高，ICEO越大，管子工作越不稳定。

（3）极限参数

①集电极最大允许电流ICM。指能够流过集电极的最大直流电流或交流电流的平均值。在选择三极管时，一般选用额定值大约为通常使用状态最大电流的2倍以上的管子。

②集电极最大允许耗散功率PCM。指集电极允许功率损耗的最大值。使用三极管时，管子的耗散功率不应超过此值，否则，管子的集电结会因为过热而损坏（硅管允许结温约为150℃，锗管约为75℃）。因此，大功率三极管为了提高PCM值，可以在三极管表面加装一定面积的散热器。

③反向击穿电压VCEO。指基极开路，集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压VCEO。在使用三极管时，集电极和发射极间所加电压决不能超过此值，否则将损坏管子。

2.2.6　国产三极管型号的命名方法

国产三极管的型号命名由五部分组成，各部分的组成如图2-19所示，各部分的含义如表2-4所示。

2.2.7　日本半导体器件型号命名法

日本半导体器件型号命名法有如下特点。

①型号中的第一部分是数字，表示器件的类型和有效电极数。例如，用“1”表示二极管，用“2”表示三极管。而屏蔽用的接地电极不是有效电极。

②第二部分均为字母S，表示日本电子工业协会注册产品，而不表示材料和极性。

③第三部分表示极性和类型。例如用A表示PNP型高频管，用J表示P沟道场效应三极管。但是，第三部分既不表示材料，也不表示功率的大小。

④第四部分只表示在日本工业协会（EIAJ）注册登记的顺序号，并不反映器件的性能，顺序号相邻的两个器件的某一性能可能相差很远。例如，2SC2680型的最大额定耗散功率为200mW，而2SC2681的最大额定耗散功率为100W。但是，登记顺序号能反映产品时间的先后。登记顺序号的数字越大，越是近期产品。

⑤第六、七两部分的符号和意义各公司不完全相同。

⑥日本有些半导体分立器件的外壳上标记的型号，常采用简化标记的方法，即把2S省略。例如，2SD764，简化为D764，2SC502A简化为C502A。

⑦在低频管（2SB和2SD型）中，也有工作频率很高的管子。例如，2SD355的特征频率fT为100MHz，所以，它们也可当高频管用。

⑧日本通常把PCM≥1W的管子，称为大功率管。

2.2.8　现场操练5——三极管的识别

三极管的封装形式是指三极管的外形参数，也就是安装半导体三极管用的外壳。材料方面，三极管的封装形式主要有金属、陶瓷、塑料等；结构方面，三极管的封装为TOXXX，XXX表示三极管的外形；装配方式有通孔插装（通孔式）、表面安装（贴片式）、直接安装；引脚形状有长引线直插、短引线或无引线贴装等。常用三极管的封装形式有TO-92、TO-126、TO-3、TO-220TO等。

三极管引脚的排列方式具有一定的规律。对于国产小功率金属封装三极管，底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左向右依次为e、b、c；有管键的管子，从管键处按顺时针方向依次为e、b、c，其管脚识别图如图2-21（a）所示。对于国产中小功率塑封三极管使其平面朝向外，半圆形朝内，三个引脚朝上放置，则从左到右依次为e、b、c，其管脚识别图如图2-21（b）所示。

目前，市场上有各种类型的晶体三极管，管脚的排列不尽相同，在使用中不确定管脚排列的三极管，必须进行测量确定各管脚正确的位置，或查找晶体管使用手册，明确三极管的特性及相应的技术参数和资料。

现今比较流行的三极管9011～9018系列为高频小功率管，除9012和9015为PNP型管外，其余均为NPN型管。

常用9011～9018、1815系列三极管管脚排列如图2-21所示。平面对着自己，引脚朝下，从左至右依次是E、C、B，即1是发射极E，2是集电极C，三是基极B。

贴片三极管有三个电极的，也有四个电极的。一般三个电极的贴片三极管从顶端往下看有两边，上边只有一脚的为集电极，下边的两脚分别是基极和发射极。在四个电极的贴片三极管中，比较大的一个引脚是三极管的集电极，另有两个引脚相通是发射极，余下的一个是基极。常见贴片三极管引脚外形图如图2-22所示。

2.2.9　现场操练6——判断三极管电极、工作状态

【案例1】　用万用表测得放大电路中三极管V1各电极的对地电位分别为VX=9V，VY=3.6V，VZ=3V，如图2-23（a）所示；V2管子各电极的对地电位分别为VX=-5V，VY=-10V，VZ=-5.3V，如图2-23（b）所示。试判断V1、V2各是何类型、何材料的管子，又X、Y、Z各是何电极？

解：分析时，先从电极的最高电位（NPN）或最低电位（PNP）确定集电极，然后由其他两极的电位差值确定基极和发射极，从而明确是硅管还是锗管。

①在图2-23（a）中，X的电位最高，它是集电极C。Y与Z之间的电压为0.6V，可确定是硅管发射结电压，因此，Y就是基极B，Z就是发射极E，它符合VC>VB>VE（VX>VY>VZ）的关系，而且也明确了此管为NPN型硅管，其正确答案如图2-23（c）中所示。

②同样理由，可判断图2-23（b）中的V2管的集电极C为Y，X与Z分别为发射极E和基极B，它们符合VE>VB>VC（VX>VY>VZ）的关系。由发射结电压UBE=-0.3V，可知V2是PNP型锗管。其正确答案如图2-23（d）所示。

【案例2】　试根据图2-24中管子的对地电位，判断管子是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？

解：①在图2-24（a）中，晶体管为NPN型。由发射结电压UBE=0.7V，知道处于正偏，且是硅管，但是VB>VC（0.7>0.3），因此集电结也处于正向偏置，所以，此NPN型硅管处于饱和状态。

②在图2-24（b）中，晶体管为PNP型。发射结电压UBE=-0.3V为正向偏置，所以该管为锗管，又VB>VC，集电结为反向偏置，所以，此PNP型锗管工作在放大状态。

③在图2-24（c）中，发射结电压VBE=+0.6-0=+0.6V（注意此管为PNP管）而处于反偏，集电结也是反偏（VB>VC），因此，管子处于截止状态。此处无法判断其为硅管还是锗管。

2.2.10　现场操练7——各种三极管的检测

目前三极管的种类很多，仅从引脚排列很难判断引脚极性，所以常用万用表判别引脚极性。万用表判别三极管引脚极性的原理是：三极管由两个PN结构成，对于NPN型三极管，其基极是两个PN结的公共正极；对于PNP型三极管，其基极是两个PN结的公共负极，由此可以判别三极管的基极和管极型。根据当加在三极管的发射结电压为正，集电结电压为负时三极管工作在放大状态，此时三极管的穿透电流较大的特点，可以测出三极管的发射极和集电极。

（1）指针式万用表检测三极管

①普通三极管的检测。指针式万用表判断普通三极管的三个电极、极性及好坏时，选择R×100或R×1k挡位，常分两步进行测量判断。

a.三颠倒，找基极；PN结，定管型。三极管的内部等效图如图2-25所示，测量时要时刻想着此图，从而熟能生巧。

（a）三颠倒，找基极。任取一个电极，把它定为基极（如这个电极为2），任意一只表笔接这个电极，另一只表笔去测量剩下的两只电极（如电极1、3），记下两次数据；然后，对调表笔，再按上述方法测量一次，记下两次数据。在这三次颠倒测量中（不一定必须测三次），直到测量结果为两次阻值都很小（正向电阻），两次阻值都很大（反向电阻），那么假定的基极正确。

（b）PN结，定管型。找出三极管的基极后，就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的类型。在上述测量过程中，黑表笔接基极，测量结果阻值都很小，则该管为NPN型；反之，红表笔接基极，测量结果阻值都很小，则该管为PNN型。找基极、定管型的测量示意图如图2-26所示。

b.判断基极、集电极——顺箭头，偏转大；测不出，动嘴巴。基极找到之后，判断出PNP型或NPN型，再找发射极和集电极。顺箭头，偏转大，这时可以用测穿透电流Iceo的方法确定集电极和发射极。

（a）对于NPN型三极管，用黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec，虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小，但仔细观察，总会有一次偏转角度稍大，此时电流的流向一定是：黑表笔→c极→b极→e极→红表笔，电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致（“顺箭头”），所以此时黑表笔所接的一定是集电极，红表笔所接的一定是发射极。

（b）对于PNP型的三极管，道理也类似于NPN型，其电流流向一定是：黑表笔→e极→b极→c极→红表笔，其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是发射极，红表笔所接的一定是集电极。

（c）测不出，动嘴巴。若在“顺箭头，偏转大”的测量过程中，由于颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时，就要“动嘴巴”了。具体方法是：在“顺箭头，偏转大”的两次测量中，用两只手指分别捏住两表笔与管脚的结合部，用嘴巴含住（或用舌头抵住）基极b，仍用“顺箭头，偏转大”的判别方法即可区分开集电极与发射极。其中人体起到直流偏置电阻的作用，目的是使效果更加明显。判断基极、集电极的测量示意图如图2-27所示。

正常三极管极间正反向电阻值如表2-5所示。

②带阻三极管的检测。带阻三极管的检测与普通三极管基本类似，但由于其内部接有电阻，故检测出来的阻值大小稍有不同。以图2-28中的NPN型三极管为例，选用指针式万用表，量程置于R×1k挡，若带阻三极管正常，则有如下规律：

B、E极之间正反向电阻都比较小（具体测量值与内接电阻有关），但B、E极之间的正向电阻（黑笔接B，红笔接E）会略小一点，因为测正向电阻时发射结会导通。

B、C极之间正向（黑笔接B，红笔接C）电阻小，反向电阻接近无穷大。

E、C极之间正反向电阻（黑笔接C，红笔接E）都接近无穷大。

检测结果与上述不相符时，可判断为带阻三极管损坏。

③带阻尼三极管的检测。带阻尼三极管的检测与普通三极管基本类似，但由于其内部接有阻尼二极管，故检测出来的阻值大小稍有不同。以图2-29中的NPN型三极管为例，选用指针式万用表，量程置于R×1k挡，若带阻尼三极管正常，则有如下规律：

B、E极之间正反向电阻都比较小，但其正向电阻（黑笔接B，红笔接E）会略小一点。

B、C极之间正向电阻（黑笔接B，红笔接C）小，反向电阻接近无穷大。

E、C极之间正向电阻（黑笔接C，红笔接E）接近无穷大，反向电阻很小（因为阻尼二极管会导通）。

检测结果与上述不相符时，可判断为带阻尼三极管损坏。

④达林顿（复合管）三极管的检测。以图2-30中的NPN型达林顿三极管为例，选用指针式万用表，量程置于R×10k挡，若达林顿三极管正常，则有如下规律：

B、E极之间正向电阻（黑笔接B，红笔接E）小，但其反向电阻无穷大。

B、C极之间正向电阻（黑笔接B，红笔接C）小，反向电阻接近无穷大。

E、C极之间正反向电阻都接近无穷大。

检测结果与上述不相符时，可判断为达林顿三极管损坏。

（2）数字式万用表检测三极管

利用数字万用表不仅可以判别三极管管脚极性、测量管子的共发射极电流放大系数hFE，还可以鉴别硅管与锗管。由于数字万用表电阻挡的测试电流很小，所以不适用于检测三极管，应使用二极管挡或hFE挡进行测试。

将数字万用表置于二极管挡位，红表笔固定任接某个引脚，用黑表笔依次接触另外两个引脚，如果两次显示值均小于1V或都显示溢出符号“OL”或“1”，则红表笔所接的引脚就是基极B。如果在两次测试中，一次显示值小于1V，另一次显示溢出符号“OL”或“1”（视不同的数字万用表而定），则表明红表笔接的引脚不是基极B，应更换其他引脚重新测量，直到找出基极B为止。

基极确定后，用红表笔接基极，黑表笔依次接触另外两个引脚，如果显示屏上的数值都显示为0.6～0.8V，则所测三极管属于硅NPN型中、小功率管。其中，显示数值较大的一次，黑表笔所接引脚为发射极。如果显示屏上的数值都显示为0.4～0.6V，则所测三极管属于硅NPN型大功率管。其中，显示数值大的一次，黑表笔所接的引脚为发射极。

用红表笔接基极，黑表笔先后接触另外两个引脚，若两次都显示溢出符号“OL”或“1”，调换表笔测量，即黑表笔基极，红表笔接触另外两个引脚，显示数值都大于0.4V，则表明所测三极管属于硅PNP型，此时数值大的那次，红表笔所接的引脚为发射极。

数字万用表在测量过程中，若显示屏上的显示数值都小于0.4V，则所测三极管属于锗管。

2.2.11　现场操练8——三极管放大倍数的检测

hFE是三极管的直流电流放大系数。用数字万用表或指针式万用表都可以方便地测出三极管的hFE。将数字或指针式万用表置于hFE挡位，若被测三极管是NPN型管，则将管子的各引脚插入NPN插孔相应的插孔中（被测三极管是PNP型管，则将管子的各引脚插入PNP插孔相应的插孔中），此时显示屏就会显示出被测管的hFE，用万用表测量三极管放大系数示意图如图2-31所示。