1.4　半导体三极管

1.4.1　三极管的结构和符号

半导体三极管又称晶体管，是放大电路中的核心元件。其种类很多，按照工作频率分，有高频管和低频管；按照功率分，有小功率管和大功率管；按照半导体材料分，有硅管和锗管等等。但是从它的外形来看，三极管都有3个电极，常见的三极管外形如图1-20所示。

根据结构不同，三极管可分为NPN型和PNP型，图1-21是其结构示意图和图形符号。它由3层半导体2个PN结组成，从3块半导体上各自引出1个电极，它们分别是发射极e（emitter）、基极b（base）和集电极c（collector），对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。三极管有2个PN结，发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处的PN结称为集电结。发射极的箭头表示三极管正常工作时的实际电流方向。使用时应注意，由于内部结构的不同，发射区高掺杂，集电极和发射极不能互换。

NPN型与PNP型三极管的工作原理相同，不同之处在于使用时所加电源的极性不同。在实际应用中，采用NPN型三极管较多，所以下面以NPN型三极管为例进行分析讨论。

1.4.2　三极管的电流分配与放大作用

1.三极管内部载流子的传输过程

要使三极管能正常工作，三极管外加电压必须满足“发射结加正向电压，集电结加反向电压”这两个外部放大条件，电源UCC和UBB正是为满足这两个条件而设置的。

将三极管接成两条电路，一条是由电源电压UBB的正极经过电阻RB（通常为几百千欧的可调电阻器）、基极、发射极到电源电压UCC的负极，称为基极回路；另一条是由电源电压UCC的正极经过电阻器RC、集电极、发射极再回到电源电压UCC的负极，称为集电极回路，如图1-22所示。

（1）发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。由于发射结正偏，因此，高掺杂浓度的发射区多子（自由电子）越过发射结向基区扩散，形成发射极电流IE，发射极电流的方向与电子流动方向相反，是流出三极管发射极的。

（2）电子在基区中的扩散与复合形成基极电流IB。发射区来的电子注入基区后，由于浓度差的作用继续向集电结方向扩散。但因为基区多子为空穴，所以在扩散过程中，有一部分自由电子要和基区的空穴复合。在制造三极管时，基区被做得很薄，掺杂浓度又低，因此被复合掉的只是一小部分，大部分自由电子可以很快到达集电结。

（3）大部分从发射区“发射”来的自由电子很快扩散到了集电结。由于集电结反偏，在这个较强的从N区（集电区）指向P区（基区）的内电场的作用下，自由电子很快就被吸引、漂移过了集电结，到达集电区，形成集电极电流IC。集电极电流的方向是流入集电极的。集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流IC。

为方便起见，上述过程暂时忽略了一些少子形成的很小的漂移电流。

由图1-22可知，三极管电流分配关系为

IE=IB+IC

2.三极管的电流分配与放大作用

为了说明三极管的电流分配与放大作用，先看下面的实验，实验电路如图1-23所示。实验时，改变Rb，基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都随之发生变化，表1-2列出了一组实验数据。

根据表中数据可得如下结论：

（1）说明三极管3个电极的电流符合基尔霍夫电流定律为IE=IB+IC，且IB与IC、IE相比小得多，并且IE≈IC。

（2）IB尽管很小，但对IC有控制作用，IC随IB的变化而变化，两者在一定范围内保持固定比例关系，即

式中， 称为三极管的电流放大系数（或放大倍数），它反映了三极管的电流放大能力，或者说IB对IC的控制能力。正是这种小电流对大电流的控制能力，说明了三极管具有放大作用。

（3）当IB有微小变化时，IC即有较大的变化。例如，当IB由20μA变到40μA时，集电极电流IC则由0.7mA变为1.5mA。这时基极电流IB的变化量为

ΔIB=（0.04-0.02）mA=0.02mA

而集电极电流的变化量为

ΔIC=（1.5-0.7）mA=0.8mA

显然后者变化量大得多，更重要的是，两个变化量之比能保持固定的比例不变。这种用基极电流的微小变化来使集电极电流作较大变化的控制作用，就称为三极管的电流放大作用。把集电极电流变化量ΔIC和基极电流变化量ΔIB的比值，称为三极管交流放大系数，用β表示，即β=ΔIC/ΔIB。在工程计算时可认为，且在一定范围内几乎不变。

1.4.3　三极管的特性曲线

三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线，它是分析和设计各种三极管电路的重要依据。由于三极管有3个电极，构成二端口网络，输入端电压电流关系为输入特性，输出端电压电流关系为输出特性。工程上最常用到的是三极管的输入特性和输出特性曲线。由于三极管特性的分散性，半导体器件手册中给出的特性曲线只能作为参考，在实际应用中可通过实验测量的方法绘制其特性曲线。图1-24所示是三极管特性曲线测量电路。

（1）输入特性曲线。输入特性是指当集电极与发射极之间的电压UCE为某一常数时，加在三极管基极与发射极之间的电压uBE与基极电流iB之间的关系曲线，即

图1-25为硅管3DG6的输入特性曲线。一般情况下，当UCE≥1V时，集电结就处于反向偏置，此时再增大UCE对iB的影响很小，也即UCE>1V以后的输入特性与UCE=1V的一条特性曲线基本重合，所以半导体器件手册中通常只给出一条UCE≥1V时的输入特性曲线。

由图1-25可知，三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很相似，也存在一段死区，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。导通后，硅管的UBE约为0.7V，锗管的UBE约为0.3V。

（2）输出特性曲线。输出特性是在基极电流IB一定的情况下，集电极与发射极之间的电压uCE与集电极电流iC之间的关系，即

图1-26为小功率三极管的输出特性曲线。由图可见，对于不同的IB，所得到的输出特性曲线也不同，所以，三极管的输出特性曲线是一簇曲线。

三极管的输出特性曲线分为3个区域：放大区、截止区、饱和区。

①放大区。放大区是输出特性曲线中基本平行于横坐标的曲线簇部分。当uCE超过一定值后（1V左右），iC的大小基本上与uCE无关，呈现恒流特性。在放大区，发射结正偏和集电结反偏，iC与iB成比例关系，即iC=βiB，三极管具有电流放大作用。

②截止区。对应IB=0以下的区域，在该区域IC=ICEO≈0，集电极、发射极间只有微小的反向饱和电流，近似于开关的断开状态。为了使三极管可靠截止，通常给发射结加上反向电压，即uBE<0V。这样，发射结和集电结都处于反向偏置，三极管处于截止状态。

当IB=0时，两个反向串联的PN结也会存在由少数载流子形成的漏电流ICEO，该电流称为穿透电流。在常温下，可以忽略不计，但温度上升时，ICEO会明显增加。ICEO的存在是一种不稳定因素。

③饱和区。靠近输出特性曲线的纵坐标，曲线上升部分对应的区域。在该区域iC不受iB的控制，无电流放大作用，且发射结和集电结均处于正向偏置。一般认为，uCE≈uBE，即uCB≈0时，三极管处于临界饱和状态，uCE<uBE时为饱和状态。饱和时三极管c与e间的电压记作UCES，称为饱和压降。对于小功率管，饱和时的硅管管压降典型值UCES≈0.3V，锗管典型值UCES≈0.1V。近似于开关的闭合状态。在饱和状态下，三极管集电极电流为

1.4.4　三极管的主要参数

三极管的参数是用来表征三极管性能优劣和适用范围的，它是选用三极管的依据。了解这些参数的意义，对于合理使用和充分利用三极管达到设计电路的经济性和可靠性是十分必要的。

1.电流放大系数、β

根据工作状态的不同，在直流（静态）和交流（动态）两种情况下分别用、β表示。

直流电流放大系数的定义为电流静态值之比为

交流电流放大系数的定义为电流变化量之比为

显然，、β的含义是不同的，但在输出特性曲线线性比较好（平行、等间距）的情况下，两者差别很小。在一般工程估算中，可以认为β≈，两者可以混用。

由于制造工艺的分散性，即使同型号的三极管，它的β值也有差异，常用三极管的β值通常在10～100之间。β值太小放大作用差，但β值太大易使三极管性能不稳定，一般放大电路采用β=30～80的三极管为宜。

2.极间反向电流

（1）集基极间反向饱和电流ICBO：表示发射极开路，c、b间加上一定反向电压时的反向电流，如图1-27所示。它实际上和单个PN结的反向饱和电流是一样的，因此它只取决于温度和少数载流子的浓度。一般ICBO的值很小，小功率锗管的ICBO约10μA，而硅管的ICBO则小于1μA。

（2）集射极间反向饱和电流（穿透电流）ICEO：表示基极开路时，c、e间加上一定反向电压时的集电极电流，如图1-27（b）所示。ICEO和ICBO的关系为

ICEO=（1+β）ICBO

ICEO和ICBO都是衡量三极管性能的重要参数，由于ICEO比ICBO大得多，测量起来比较容易，所以我们平时测量三极管时，常常把测量ICEO作为判断三极管性能的重要依据。小功率锗管的ICEO约为几百微安，硅管在几微安以下。

3.极限参数

集电极最大允许电流ICM：指三极管的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当集电极电流超过ICM时，三极管性能将显著下降，甚至有烧坏三极管的可能。

反向击穿电压U（BR）CEO：指基极开路时，集电极与发射极间的最大允许电压。当UCE>U（BR）CEO时，三极管的ICEO急剧增加，表示三极管已被反向击穿，造成三极管损坏。使用时，应根据电源电压UCC选取U（BR）CEO，一般应使U（BR）CEO>（2～3）UCC。

集电极最大允许功率损耗PCM：表示三极管允许功率损耗的最大值。超过此值就会使三极管性能变坏或烧毁。三极管集电极最大允许功率损耗的计算公式为

PCM≈iCuCE

PCM与环境温度有关，温度越高，则PCM越小。因此，三极管使用时受环境温度的限制，锗管的上限温度约70℃，硅管可达150℃。对于大功率管，为了提高PCM，常采用加散热装置的办法，半导体器件手册中给出的PCM值是在常温（25℃）下测得的，对于大功率管则是在常温下加规定尺寸的散热片的情况下测得的。

根据三极管的PCM，可在输出特性曲线上画出三极管集电极最大允许功率损耗PCM曲线，如图1-28所示。由PCM、ICM和U（BR）CEO这3条曲线所包围的区域为三极管的安全工作区。

【例1-3】若测得放大电路中工作在放大状态的3个三极管的3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型还是PNP型？并确定c、b、e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：（1）由于U13=U1-U3=0.7V，故该管为硅管，且1、3引脚中一个是e极，一个是b极，则2引脚为c极。又因为2引脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1引脚为b极，3引脚为e极。

（2）由于∣U23∣=0.3V，故该管为锗管，且2、3引脚中一个是e极，一个是b极，则1引脚为c极。又因为1引脚电位最低，故该管为PNP型，从而得出2引脚为b极，3引脚为e极。

（3）由于∣U12∣=0.3V，故该管为锗管，且1、2引脚中一个是e极，一个是b极，则3引脚为c极。又因为3引脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1引脚为b极，2引脚为e极。

【例1-4】在图1-29所示的输出特性曲线给定点A处计算三极管的电流放大系数。

解：由图1-29可知，

A点，UCE1=6V，IB1=40μA，IC1=1.7mA

B点，UCE2=6V，IB2=60μA，IC2=2.6mA

结果表明：放大区的和β是近似相等的。