2.1　半導體三極管

半導體三極管中由于它有空穴和自由電子兩種載流子參與導電，故稱為雙極型三極管（BJT）。雙極型三極管通常也可稱為雙極型晶體管或半導體三極管，簡稱晶體管或三極管。三極管的種類很多，按結構分，可分為NPN型和PNP型；按功率大小分，可分為大、中、小功率管；按所用半導體材料分，可分為硅管和鍺管；按頻率分，可分為高頻管和低頻管等。

2.1.1　三極管的結構和符號

圖2.1所示為NPN型和PNP型三極管的結構示意圖和符號。

三塊半導體的電極引線分別稱為發射極E、基極B和集電極C。三塊半導體分別稱為發射區、基區和集電區，相應半導體交界處形成了兩個PN結。發射區和基區交界處的PN結稱為發射結；集電區和基區交界處的PN結稱為集電結。在電路符號中，發射極的箭頭表示發射結在正向偏置時的電流方向。不管是NPN三極管還是PNP三極管，為了獲得良好的特性，都是發射區高摻雜，基區摻雜濃度低，集電結面積盡量大。

圖2.2所示為幾種三極管的外形及管腳排列，其中大功率管用管殼兼作集電極。

圖2.3所示為幾種微型塑封片狀三極管的外形，其功耗一般為200～500mW，圖2.3（a）所示為SOT-23微型三極管，圖2.3（b）所示為SOT-143高頻三極管，圖2.3（c）所示為SOT-89較高功率（300mW）三極管，其底面有金屬散熱片和集電極相連。

2.1.2　三極管的電流分配與放大原理

要使三極管有放大作用，其內部條件是：發射區進行高摻雜，多數載流子濃度很高；基區做得很薄，摻雜少，則基區中多子的濃度很低。而外部條件是：三極管的發射結必須正向偏置，集電結必須反向偏置，即對NPN三極管，要求UC>UB>UE；而對PNP三極管，要求UC<UB<UE。以三極管基極作為信號的輸入端，集電極作為輸出端，發射極作為輸入和輸出回路的公共端的電路，稱為共發射極電路，簡稱共射電路。下面以圖2.4所示的共射接法的NPN三極管為例，討論三極管內部的載流子的運動情況及放大原理。

滿足上述內部、外部條件的情況下，三極管內部載流子的運動有以下3個過程。

（1）發射

發射區發射大量的電子越過發射結到達基區，形成電子電流，而基區中的多子空穴也向發射區擴散而形成空穴電流，兩者之和即為發射極電流IE。IE主要由發射區發射的電子電流所產生。

（2）復合與擴散

電子到達基區后，電子與空穴產生復合運動而形成基極電流IB[圖中（1-，基區被復合掉的空穴由外電源VBB不斷進行補充。大多數電子在基區中繼續擴散，到達靠集電結的一側。

（3）收集

由于集電結反偏，外電場的方向將阻止集電區中的多子電子向基區運動，但是卻有利于將基區中擴散過來的電子收集到集電極形成集電極電流IC（圖中）。

以上分析了三極管中載流子運動的主要過程。此外，因為集電結反向偏置，所以集電區中的少子空穴和基區中的少子電子在外電場的作用下，還將進行漂移運動而形成反向電流，這個電流稱為反向飽和電流，用ICBO表示。可見，集電極電流IC由兩部分組成：發射區發射的電子被集電極收集后形成的IC（），以及集電區和基區的少子進行漂移運動而產生的反向飽和電流ICBO，即

　　（2.1）

發射極電流IE也包括兩部分，大部分成為IC，少部分成為IB以及集電極-發射極間的反向飽和電流或稱穿透電流ICEO，即

　　（2.2）

　　（2.3）

共發射極直流電流放大系數（）一般為幾十至幾百；而共基極直流電流放大系數（）小于1。在忽略反向飽和電流條件下，三極管中3個電流的關系為

IE=IC+IB　　（2.4）

通常將直流電流放大系數定義為某一時刻兩個電流之比。共發射極直流電流放大系數（）和共基極直流電流放大系數（）

可由下式計算：

　　（2.5）

　　（2.6）

以上從三極管中載流子的運動情況來分析管子中各電極的電流的分配關系。

下面通過圖2.5研究共發射極（NPN管）接法時，管內電流分配關系的實驗電路。

在電路中用3個電流表分別測量發射極電流IE、基極電流IB和集電極電流IC，改變RW或可改變IB的數值，測出對應的IC和IE，將測試數據填入表2.1中。 這組具體數據說明三極管中的電流關系。 

請用實驗來測試圖2.5所示電路中的電流之間的關系（或用Multisim軟件仿真）。

從表2.1可得出：IE=IB+IC，IB<IC<IE，IC≈IE；當IB有一個微小的變化時，相應的集電極電流將發生較大的變化。如IB從0.02mA變為0.04mA（ΔIB=0.02mA），相應的IC由0.72mA變為1.50mA（ΔIC=0.78mA），說明三極管具有電流放大作用。

歸納

通常將集電極電流與基極電流的變化量之比定義為三極管的共射交流電流放大系數，用β 表示：

相應地，將集電極電流與發射極電流的變化量之比定義為共基交流電流放大系數，用α 表示：

　　

電流放大系數有直流和交流之分，但兩者的數值卻差別不大，所以今后在計算中，兩者不再嚴格區分。

注意

表2.1中第1列表示當發射極開路（IE=0）時，集電極和基極之間的反向電流稱為反向飽和電流（ICBO）。第2列中當基極開路（IB=0）時，集電極和發射極之間的電流稱為穿透電流（ICEO）。

2.1.3　三極管的特性曲線和主要參數

上面討論了三極管各極電流之間的關系，現在進一步討論各極電流與電壓之間的關系，這個關系主要體現在三極管的特性曲線上。本小節主要討論NPN三極管的共射特性曲線。

圖2.6是三極管特性曲線測試電路示意圖，圖中RW用于調節IB，為了避免RW調到零時，IB過大而損壞三極管，串聯一個保護電阻RB來限制IB。

1.輸入特性曲線

當三極管接成共射組態時，以uCE為參變量，表示輸入電流iB和輸入電壓uBE之間關系的曲線稱為三極管的共射輸入特性，其函數式為

　　（2.7）

圖2.7（a）所示為硅三極管的共射輸入特性曲線。當uCE=0時，從三極管的輸入回路看，基極和發射極之間相當于兩個PN結（發射結和集電結）并聯，所以當B、E之間加上正向電壓時，三極管的輸入特性應為兩個二極管并聯后正向伏安特性（見左邊一條特性）。

在相同的uBE下，當uCE從零增大時，iB將減小。這是因為uCE=0時，發射結和集電結均正偏，iB為兩個正向偏置PN結的電流之和；當uCE增大時，集電結從正向偏置逐漸往反向偏置過渡，有越來越多的非平衡少數載流子到達集電區，使iB減小。

注意

當uCE繼續增大時，使集電結反向偏置后，iB受uCE的影響減小，不同uCE值時的輸入特性曲線幾乎重疊在一起，這是由于基區很薄，在集電結反向偏置時，絕大多數非平衡少數載流子幾乎都可以漂移到集電區，形成iC，所以當繼續增大uCE時，對輸入特性曲線幾乎不產生影響。所以實際放大電路中，uCE大于等于1V的輸入特性更有實用意義。

2.輸出特性曲線

以iB為參變量，表示輸出電流iC和輸出電壓uCE之間關系的曲線稱為三極管的輸出特性，其函數式為

　　（2.8）

圖2.7（b）所示為硅三極管的共射輸出特性曲線。曲線將三極管劃分3個區域。

（1）截止區

一般將輸出特性曲線iB≤0以下的區域，稱為截止區。其特點：iB=0，iC≈0，uCE=VCC，三極管沒有放大作用。對于硅管，當uBE<0.7V（即小于導通電壓）時已開始截止，但為了截止可靠，常使uBE≤0，即發射結零偏或反偏，截止時，集電結也反向偏置（uBC<0），即發射結、集電結均處于反向偏置狀態。

（2）放大區

輸出特性曲線近似水平的部分是放大區。其特點：發射結正向偏置uBE>0（應大于導通電壓），集電結反偏 uBC<0；iC大小受iB控制，且 ΔIC?ΔIB，ΔIC=βΔIB，表明了三極管的電流放大作用，各條曲線近似水平，iC與uCE的變化基本無關，是近似的恒流特性，表明三極管相當于一受控電流源，具有較大的動態電阻。由于在放大區特性曲線平坦，間隔均勻，ΔIC與ΔIB成正比，所以放大區也稱為線性區。這時uBE=0.6～0.8V（NPN硅管），uCE=VCC-iCRC。

（3）飽和區

輸出特性曲線的直線上升和彎曲線部分是飽和區。其特點：iC不受iB控制，失去放大作用，發射結正向偏置uBE>0，集電極正向偏置uBC>0。臨界飽和時uCE=uBE，過飽和時uCE<uBE。小功率硅三極管的飽和壓降UCES<0.3V。

請用實驗來測試圖2.6所示電路中的三極管特性曲線（或用Multisim軟件仿真）。

3.三極管的主要參數

三極管的電流放大系數是表征管子放大作用大小的參數。綜合前面的討論，有以下幾個參數。

（1）電流放大系數

三極管的電流放大系數有直流和交流之分，且有共射接法和共基接法兩種組態。交流電流放大系數（共射β）定義為集電極電流與基極電流的變化量之比；而（共基α）定義為集電極電流與發射極電流的變化量之比。直流放大系數（共射）定義為某一時刻集電極電流與基極電流之比，但兩者的數值卻差別不大，所以今后在計算中，兩者不再嚴格區分。

（2）極間反向電流

集電極和基極之間的反向飽和電流ICBO，表示當發射極E開路時，集電極C和基極B之間的反向電流。一般小功率鍺三極管的ICBO約為幾微安至幾十微安，硅三極管的ICBO要小得多，有的可以達到納安數量級。

集電極和發射極之間的穿透電流ICEO，表示當基極B開路時，集電極C和發射極E之間的電流，ICEO=（1+β）ICBO。一般小功率鍺管的ICEO約為幾十微安至幾百微安，硅管的ICEO約為幾微安。

提示

極間反向飽和電流是衡量三極管質量好壞的重要參數，其值越小，受溫度影響越小，管子工作越穩定。

（3）極限參數

集電極最大允許電流ICM是指三極管集電極允許的最大電流，一般以 β 下降到其額定值的2/3時的IC值規定為集電極最大允許電流ICM。

集電極最大允許耗散功率PCM表示集電結上允許耗散功率的最大值。PCM=ICUCE。

當PC>時，集電結會因過熱而燒毀。鍺三極管允許集電結溫度為75℃，硅三極管允許集電結溫為150℃。對于大功率管，為了提高，通常采用加散熱裝置的方法。

極間反向擊穿電壓U（BR）CEO指基極開路時集電極與發射極間的反向擊穿電壓；U（BR）CBO指發射極開路時集電極與基極間的反向擊穿電壓。

在共射極輸出特性曲線上，由極限參數ICM、U（BR）CEO、PCM所限定的區域如圖2.8所示，通常稱為安全工作區。為了確保三極管安全工作，使用時不能超出這個區域。

2.1.4　特殊三極管簡介

除普通三極管外，還有一些特殊三極管，如光電三極管、光電耦合器等。

1.光電三極管

光電三極管是將光信號轉換成光電流信號的半導體受光器件，并且還能把光電流放大，它又稱為光敏三極管，其工作原理與光電二極管基本相同。

圖2.9所示為光電三極管的外形示意圖和電路符號。一般的光電三極管只引出兩個管腳（E、C極），基極B不引出，管殼上也開有窗口，光電三極管也具有兩個PN結，且有NPN型和PNP型之分。NPN型管使用時，E極接電源負極，C極接電源正極。在沒有光照時，流過管子的電流（暗電流）為穿透電流（ICEO），數值很小，比普通三極管的穿透電流還小。當有光照時，由于光能激發使流過集電結的反向電流增大到IL，則流過管子的電流（光電流）為

　　（2.9）

可見，在相同的光照條件下，光電三極管的光電流比光電二極管約大 β 倍（通常光電三極管的 β=100～1000），因此光電三極管比光電二極管具有高得多的靈敏度。

光電三極管有3AU、3DU等系列，例如3DU5C光電三極管，它的最高工作電壓為30V，暗電流小于0.2μA，在照度為1000lx時的光電流大于（等于）3mA，峰值波長900nm等。

歸納

光電三極管的基本應用是將光信號轉換成電信號輸出，可以制成光電三極管開關電路、轉速測試、物體計數等電路。

2.光電耦合器

光電耦合器是將發光器件（LED）和受光器件（光電二極管或光電三極管等）封裝在同一個管殼內組成的電-光-電器件，其符號如圖2.10所示。

圖中左邊是發光二極管，右邊是光電三極管。當在光電耦合器的輸入端加電信號時，發光二極管發光，光電管受到光照后產生光電流，由輸出端引出，于是實現了電-光-電的傳輸和轉換。光電耦合器的主要參數有輸入參數、輸出參數、傳輸參數等。

①輸入參數就是發光二極管的參數。

②輸出參數與使用的光電管基本相同，這里只對光電流和飽和壓降加以說明。

光電流是指光電耦合器輸入一定的電流（一般為10mA）、輸出端接有一定負載（約500Ω）、并按規定極性加一定電壓（通常為10V）時，在輸出端所產生的電流；對于由光電三極管構成的耦合器，光電流為幾毫安以上；由光電二極管構成的耦合器，則光電流約為幾十微安到幾百微安。

飽和壓降是指由光電三極管構成的光電耦合器中，輸入一定電流（一般為20mA），輸出回路按規定極性加一定電壓（10V），調節負載電阻，使輸出電流為一定值（一般為2mA）時的光電耦合器輸出端的電壓，其值通常為0.3V。

③傳輸參數有CTR，RISO、UISO。

電流傳輸比CTR：指在直流工作狀態下，光電耦合器的輸出電流與輸入電流之比，在不加復合管時，CTR總是小于1。

隔離電阻RISO：指輸入與輸出之間的絕緣電阻，一般為109～1013Ω。

極間耐壓UISO：指發光二極管與光電管之間的絕緣耐壓，一般都在500V以上。

光電耦合器的種類繁多，有普通的光電耦合器和線性耦合器之分。普通的光電耦合器常用作光電開關，如GD-11～GD-14、CD-MB等。線性光電耦合器輸出信號隨輸入信號成線性比例變化，它有GD2203等型號。

歸納

光電耦合器以光為媒介實現電信號傳輸，輸出端與輸入端之間在電氣上是絕緣的，因此抗干擾性能好，能隔噪聲，而且具有響應快、壽命長等優點，用作線性傳輸時失真小、工作頻率高；用作開關時，無機械觸點疲勞，具有很高的可靠性；它還能實現電平轉換、電信號電氣隔離等功能。因此，它在電子技術等領域中已得到廣泛的應用。

思考題

1.給出雙極型三極管的三個區的名稱，其中何種結構將三個區域分開？

2.給出正向和反向偏置的定義。

3.三極管實現電流放大的內部條件和外部條件是什么？

4.三極管輸出特性曲線分為幾個區域？工作在各區域的條件和特點是什么？

5.三極管的安全工作區是如何確定的？使用三極管應注意哪些問題？

6.光電耦合器的有什么特點。