1.7.4　晶体三极管

在实际应用中，从传感器获得的电信号一般都很微弱，只有经过放大后才能做进一步的处理，或者使之具有足够的能量来推动执行机构。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的微小变化不失真地放大输出。

晶体三极管由两个PN结组成，因此也被称作双极性三极管，对外部引出3个电极分别为基极b、发射极e和集电极c。它有两种类型：NPN型和PNP型，其结构示意图和图形符号如图1-34所示。在图形符号中NPN与PNP符号区别在于基极b与发射极e之间的箭头，此箭头代表发射极电流的实际方向。常用晶体三极管实物如图1-35所示。

晶体三极管具有如下基本特性：

（1）使三极管工作在放大状态的外部条件是：发射极正向偏置且集电极反向偏置，即对于NPN三极管U_b＞U_e且U_c＞U_b，而对于PNP三极管U_b＜U_e且U_c＜U_b。

（2）在合适的直流偏置下，即满足特性（1），集电极电流I_c为基极电流I_b的β倍，β为晶体三极管的放大倍数，即

（3）流过发射极e的电流I_e为流过基极b电流I_b与集电极c的电流I_c的总和，即

由于NPN与PNP十分类似，因此本节中只针对NPN做详细的介绍。如图1-36所示为三极管的基本共射极放大电路，图中V_BB与V_CC为提供直流偏置的电源，Δu_i为需要放大的信号，R_b为限流电阻，R_c为集电极负载电阻。

当基极电流I_B为常数时，集电极电流i_C与管压降u_CE之间的关系定义为三极管的输出特性曲线。对于每一个I_B都有一条与之对应的输出特性曲线，因此可形成输出特性的一组曲线，如图1-37所示。

从输出特性曲线可以看出，晶体管有3个工作区域。

（1）截止区：其特征是发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置，此时I_B=0，小功率硅管的i_C在1μA以下，锗管的i_C小于几十微安，可以认为三极管截止时的i_C≈0。

（2）放大区：其特征是发射结正向偏置且集电结反向偏置。此时，i_C几乎仅仅决定于i_B，而与u_CE无关，表现出i_B对i_C的控制作用，I_C=β×I_B。在理想情况下，当I_B按等差规律变化时，输出特性是一组等距离的平行线。因此在需要对小信号放大的场景，应使三极管处于放大状态。

（3）饱和区：其特征是发射结与集电结均处于正向偏置，对于共射电路，u_BE＞U_on且u_CE＜u_BE。此时i_C不仅与i_B有关，而且明显随u_CE的增大而增大。当I_B足够大时，u_CE的电压趋近于0，此时三极管处于深度饱和状态，u_CE趋近于0，相当于V_CC的全部电压加载在负载R_C上，即I_C=V_CC/R_C。但此时I_B的大小仍然比I_C小很多，因此三极管也常用于小电流驱动大电流的场景中。

可以看出，三极管放大并不是凭空放大，仍然遵守能量守恒定律，其放大的电流i_C是由电源V_CC提供的能量。即在放大电路中放大后的电压不会超过其电源电压，因此在放大小信号时需特别注意防止进入饱和区与截止区导致的失真。

由于半导体材料受温度影响大，三极管也不例外，在实际电路中，即使I_B不变，而环境变化，得到的I_C也会发生变化，因此无法用于实际的应用中，对于可实际使用的放大电路将在第2章中进行详细讨论。