第2章 晶体管及其放大电路

2.1 晶体管

晶体管是一种重要的半导体器件，是放大电路的核心。

2.1.1 晶体管的结构及分类

1. 晶体管的结构与电路符号

常见晶体管的外形如图2-1所示。

晶体管的内部结构示意图电路符号如图2-2所示，含有3个区：发射区、基区及集电区。从3个区各引出一个金属电极，分别称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C）；同时在3个区的两个交界处分别形成两个PN结，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，集电区与基区之间形成的PN结称为集电结。按半导体的组合方式不同，可将其分为NPN型管和PNP型管。图2-2符号中箭头方向表示放大状态时发射结的实际电流方向。

2. 晶体管的分类

晶体管按其结构类型分为NPN型管和PNP型管；按其制作材料分为硅管和锗管；按其工作频率分为高频管（工作频率大于3MHz）和低频管（工作频率小于3MHz）；按其功率大小分为大功率管、中功率管和小功率管；按其工作状态分为放大管和开关管。

2.1.2 晶体管电流放大作用及电流分配关系

要实现晶体管的电流放大作用，必须给晶体管提供一个合适的偏置电压：即晶体管的发射结加上正向偏置电压，集电结加上反向偏置电压。由NPN型晶体管组成的放大电路3个极的电位关系为UC>UB>UE；由PNP型晶体管组成的放大电路3个极的电位关系为UE>UB>UC。NPN、PNP型管构成的放大电路。晶体管的共射极接线如图2-3所示。

晶体管中各电极电流分配关系可用图2-4所示的电路进行测试。

1. 测试数据

调节图中的电位器RP，由微安表、毫安表可测得相应的IB、IC、IE的测试数据，如表2-1所示。

2. 数据分析

（1）IB、IC、IE间的关系

由表2-1中的每列都可得到

IB+IC=IE （2-1）

此结果满足基尔霍夫电流定律，即流进晶体管的电流等于流出晶体管的电流。

（2）晶体管电流放大系数

晶体管直流电流放大系数，用表示，即

由上式可得

根据表2-1及式2-3可知，基极电流较小的变化，引起集电极电流较大的变化。因此晶体管是一种电流控制型器件。即基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用。

根据IB+IC=IE，可得

晶体管交流电流放大系数，用β表示，等于集电极电流和基极电流变化量的比值，即

通常将β称作共射极交流电流放大系数。

，为了表示方便，以后不加区分，统一用β表示。

2.1.3 晶体管的特性曲线

晶体管的特性曲线是指各极上的电压和电流之间的关系曲线，包括输入特性曲线和输出特性曲线。它能直观、全面地反映晶体管各极电流与电压之间的关系。晶体管特性曲线可以用晶体管特性图示仪直观地显示出来，也可用测试电路逐点描绘。

1. 输入特性曲线

输入特性曲线是指当集电极和发射极电压uCE一定时，输入回路中的基极电流iB与基-射极间电压uBE之间的关系曲线，即

iB=f（uBE）uCE=常数

图2-5为晶体管的输入特性曲线。由图2-5可见，只有当uBE大于一定电压（称为死区电压或门槛电压）时，输入回路才有iB电流产生。硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。当发射结完全导通时，晶体管也具有恒压特性。对于小功率硅管的导通电压为0.6～0.7V，对于小功率锗管的导通电压为0.2～0.3V，这是检查晶体管是否正常工作的重要依据。

2. 输出特性曲线

输出特性曲线是指基极电流iB为定值时，集电极电流iC同集电极与发射极之间的电压uCE之间关系的曲线，即

iC=f（uCE）iB=常数

图2-6为晶体管的输出特性曲线。

根据晶体管的不同工作状态，输出特性曲线可分为3个工作区。

（1）放大区

特性曲线中近似平行等距部分的区域称为放大区。此时，晶体管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。有如下重要特性。

受控特性：指iC随着iB的变化而变化，iC=βiB，体现了晶体管电流放大作用，即iC与uCE几乎无关，仅受iB控制。

恒流特性：指当输入回路中有一个恒定的iB时，输出回路便对应一个基本不受uCE影响的恒定的iC。

各曲线间的间隔大小可体现β值的大小。

（2）截止区

iB=0所对应的那条输出特性曲线以下的区域称为截止区。此时，晶体管的发射结反向偏置（或无偏置又称为零偏置），集电结反向偏置。在此区内，iB=0，iC=0（忽略ICEO），相当于晶体管的C和E均处于开路，类似于开关断开，这时uCE≈UCC。

（3）饱和区

曲线族左侧iC上升段和弯曲部分之间为饱和区。此时，发射结和集电结均处于正向偏置。晶体管失去了基极电流对集电极电流的控制作用。此时所对应的uCE值称为饱和压降，用UCES表示。一般情况下，小功率管的UCES小于0.4V（硅管约为0.3V，锗管约为0.1V），大功率管的UCES约为1～3V。在理想条件下，UCES≈0，晶体管C、E极之间相当于短路状态，类似于开关闭合。

2.1.4 晶体管的主要参数

1.电流放大系数β和β

β和β是晶体管接成共射电路的直流电流放大系数和交流放大系数，参见式2-2、式2-5。选择管子时，β值要恰当，β值太大的管子，工作稳定性差；β值太小，放大能力差。低频管的β值一般选20～100，高频管大于10即可。

2. 极间反向饱和电流

（1）集—基极间反向饱和电流ICBO

ICBO是指发射极开路，集电结在反向电压作用下，形成的反向饱和电流。ICBO的大小反映了晶体管的热稳定性，受温度变化的影响很大，ICBO越小，说明其稳定性越好。硅管ICBO小于锗管。

（2）集—射极间反向饱和电流—穿透电流ICEO

ICEO是指基极开路，集电极—发射极间加上一定数值的反偏电压时，从集电极穿透集电结和发射结流入发射极的电流。它与ICBO的关系为

ICEO=（1+β）ICBO

ICEO也受温度影响很大，温度升高，ICEO增大。穿透电流ICEO的大小是衡量晶体管质量的重要参数，硅管的ICEO比锗管的小。

在选用管子时，应选用反向饱和电流小的管子。

3. 极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM

当集电极电流太大时，晶体管的电流放大系数β值下降。当β值下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流iC，称为集电极最大允许电流ICM。在实际使用中，流过集电极的电流IC必须满足IC<ICM。

（2）集电极—发射极间的击穿电压U（BR）CEO

U（BR）CEO是指当基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。在实际使用中，必须满足UCE<U（BR）CEO。

（3）集电极最大耗散功率PCM

集电极最大耗散功率是指晶体管正常工作时最大允许消耗的功率（PCM=UCEIC）。这个功率损耗将使管子结温升高。当晶体管消耗的功率超过PCM值时，将使晶体管性能变差，甚至烧坏管子。因此，在使用晶体管时，PC必须小于PCM才能保证管子正常工作。功率管一般要另加散热装置，以满足此条件。

当晶体管的PCM一定时，PCM=UCEIC，可得集电极功率损耗曲线，晶体管的安全工作区如图2-7所示。功耗线左下方为安全工作区，右上方为过损耗区。使用时，晶体管不允许进入过损耗区。

2.1.5 晶体管的测试

1. 由晶体管外形初判引脚

根据晶体管的外形特点，初判其引脚，常见典型晶体管的引脚排列图如图2-8所示。需指出，图2-8中的引脚排列方法是一般规律，应以测量为准。

2. 用万用表检测晶体管的

引脚和类型

（1）判断基极和管型的判别

由于晶体管的基极对集电极和发射极的正向电阻都较小，可根据这个特点判别基极及管型。晶体管基极的判别如图2-9所示。将万用表拨在R×100Ω或R×1kΩ档上，当黑（红）表笔接触某一电极时，将黑（红）表笔分别与另外两个电极接触，轮流测试，直到测出的两个电阻值都很小。若黑表笔接公共电极，则此极为基极，该管为NPN型管；若红表笔接公共电极，则此极为基极，该管为PNP型管。

（2）集电极和发射极的判别

晶体管的集电极和发射极的判别如图2-10所示，以NPN型晶体管为例先在除基极以外的两个电极中任设一个为集电极，并将万用表的黑表笔接在假设的集电极上，红表笔接在另一电极上，用一个大电阻（可用两手指）接基极的假设的集电极之间，如果万用表所测出的阻值较小，则假设正确，另一极为发射极。

测量PNP型晶体管的集电极时，用红表笔接假设的集电极即可。