1.3　半導(dǎo)體三極管

半導(dǎo)體三極管又稱為晶體三極管、雙極型晶體管，簡稱為晶體管或三極管。它具有電流放大作用，是構(gòu)成各種電子電路的基本器件。幾種常見的三極管外形如圖1.28所示。

1.3.1　三極管的結(jié)構(gòu)、電路符號及分類

1.結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)特點

半導(dǎo)體三極管是通過一定的工藝，由同一塊半導(dǎo)體基片上的三層雜質(zhì)半導(dǎo)體形成的兩個PN結(jié)構(gòu)成。從結(jié)構(gòu)上分，有NPN型管和PNP型管兩種類型，無論哪種類型，晶體管都有三個區(qū)、三個極和兩個PN結(jié)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.29所示。

中間共用層稱為基區(qū)，外面兩層分別稱為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)；從三個區(qū)各引出一個電極，分別稱為基極（b）、發(fā)射極（e）和集電極（c）；基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)，基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)。

由于PN結(jié)之間的相互影響，使半導(dǎo)體三極管表現(xiàn)出不同于單個PN結(jié)的特性而具有電流放大作用，從而使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。三極管結(jié)構(gòu)工藝上的特點是：發(fā)射區(qū)的摻雜濃度高，基區(qū)很薄且摻雜濃度低，集電區(qū)的結(jié)面積大、摻雜濃度較低。所以三極管的各極不能互換使用。這些特點也是保證三極管具有電流放大作用的內(nèi)部條件。

2.電路符號

三極管的電路符號如圖1.29所示。箭頭所在的電極為發(fā)射極，箭頭的方向表示發(fā)射結(jié)正偏時發(fā)射極電流的實際方向，同時箭頭方向也是區(qū)分NPN和PNP型管的標(biāo)志，箭頭向外的為NPN管，向內(nèi)的為PNP管；無論三極管在電路圖中如何放置，與發(fā)射在同一側(cè)的為集電極，單獨(dú)在另一側(cè)的為基極。三極管的文字符號為VT。

3.分類

三極管的種類很多，通常有下列幾種分類形式：

（1）按結(jié)構(gòu)類型可分為NPN管和PNP管。

（2）按制作材料可分為硅管和鍺管。

（3）按工作頻率可分為高頻管和低頻管。

（4）按功率大小可分為大功率管、中功率管和小功率管。

（5）按工作狀態(tài)可分為放大管和開關(guān)管。

1.3.2　三極管的電流分配關(guān)系及電流放大作用

1.三極管的工作條件和基本組態(tài)

三極管要實現(xiàn)放大作用，除了要具有上述的內(nèi)部條件外，還必須具備一定的外部條件，就是給三極管中的兩個PN結(jié)加上合適的工作電壓。無論是NPN管還是PNP管，三極管工作在放大狀態(tài)的外部條件是：發(fā)射結(jié)加正向電壓（正偏），集電結(jié)加反向電壓（反偏）。對NPN管來說，三極管三個電極上的電壓關(guān)系應(yīng)為UC>UB>UE；對PNP管來說，應(yīng)為UC<UB<UE。

因為放大電路的輸入回路和輸出回路各有兩個端子，所以三極管在接成放大電路時，三個電極中必有一個電極作為輸入回路和輸出回路的公共端并接地，另兩個電極一個作輸入端，一個作輸出端。所以，三極管在電路中就有三種不同連接方式，稱為三種組態(tài)，即共基極組態(tài)、共發(fā)射極組態(tài)和共集電極組態(tài)，如圖1.30所示。

2.三極管的電流分配關(guān)系及電流放大作用

三極管具有電流放大作用，各極電流之間有一定的規(guī)律，下面以NPN型三極管為例，通過一個實驗來說明三極管的電流分配關(guān)系和放大作用，實驗電路如圖1.31所示。

圖中直流電源UBB和基極偏置電阻RB構(gòu)成三極管的基極回路，使發(fā)射結(jié)正偏；同時電源UCC、集電極電阻RC以及集電極、發(fā)射極構(gòu)成集電極回路，使集電結(jié)反偏。這樣確保三極管工作在放大狀態(tài)。同時，發(fā)射極是兩個回路的共用電極，所以這種連接是共發(fā)射極組態(tài)。

改變RB的阻值，通過串接在三個電極中的電流表，可測得相應(yīng)的基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE，結(jié)果見表1.2。

分析比較表中的數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論：

（1）由每一列的數(shù)據(jù)可得三極管發(fā)射極電流等于基極電流與集電極電流之和，即

IE=IB+IC

三極管各極電流之間關(guān)系滿足基爾霍夫電流定律。

（2）基極電流IB比集電極電流IC和發(fā)射極電流IE要小得多，故發(fā)射極電流與集電極電流近似相等，即

IE≈IC>>IB

（3）當(dāng)電流達(dá)一定值時，IC與IB比值基本趨于一個常數(shù)，比如表1.2中第四、五列IC與IB比值分別為

（4）當(dāng)基極電流產(chǎn)生微小變化ΔIB時，會引起集電極電流產(chǎn)生較大變化ΔIC，而且ΔIC與ΔIB的比值趨于一個常數(shù)。如由表1.2中第三列和第四列的數(shù)據(jù)、第四列和第五列的數(shù)據(jù)可得

（5）從表1.2還可知，當(dāng)IB=0（基極開路）時，集電極電流的值很小，稱此電流為三極管的穿透電流ICEO。穿透電流ICEO越小越好。

由上述的分析可看出，三極管工作在放大狀態(tài)時，基極輸入一個較小的電流，集電極就能得到一個很大的電流；基極電流很小的變化就能引起集電極電流成比例很大的變化，這就是三極管的電流控制與放大作用。正因如此，晶體三極管被稱為電流控制器件。

把集電極電流IC與基極電流IB的比值稱為三極管共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)，用表示，即

把集電極電流變化量與基極電流變化量之比稱為三極管共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，用β表示，即

在數(shù)值上β與 相差很小，即 。無特別說明時使用β表示三極管的電流放大能力，即IC=βIB（或ΔIC=βΔIB）。

PNP管與NPN管的工作過程類似，只是所加的工作電壓極性、產(chǎn)生的電流方向與NPN管剛好相反。

【例1.5】　工作在放大狀態(tài)的三極管的兩個電極上的電流如圖1.32所示。求：（1）另一個電極上的電流，并標(biāo)出其實際方向；（2）確定各管腳的電極，判斷三極管的管型；（3）估算三極管的β值。

【解】　（1）因為三極管各極電流滿足基爾霍夫電流定律，即流入和流出三極管的電流大小相等。在圖1.32（a）中①腳和②腳的電流均為流入三極管，因此③腳電流必然為流出三極管，大小為0.1+4=4.1（mA）。

（2）因③腳電流最大，①腳電流最小，故③腳為發(fā)射極，①腳為基極，②腳為集電極。由于該管發(fā)射極電流的實際方向是向外的，因此它是NPN型管。

（3）因為IB=0.1mA，IC=4mA，IE=4.1mA，故得

1.3.3　三極管的伏安特性曲線

三極管各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線稱為三極管的伏安特性曲線。它是三極管內(nèi)部特性的外部表現(xiàn)，是分析由三極管組成的放大電路和選擇管子參數(shù)的重要依據(jù)。晶體三極管的伏安特性曲線分為輸入特性曲線和輸出特性曲線兩部分。三極管在電路中的連接方式（組態(tài)）不同，其特性曲線也不同。用NPN型管組成的共發(fā)射極測試電路如圖1.33所示。

1.輸入特性曲線

輸入特性曲線是指當(dāng)集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE保持不變時，基極電流IB與基極和發(fā)射極之間的電壓UBE之間的關(guān)系曲線如圖1.34所示。其特點是：

（1）當(dāng)UCE=0時，相當(dāng)于集電極和發(fā)射極短路，三極管相發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個二極管正向并聯(lián)，輸入特性類似于二極管的正向伏安特性。

（2）當(dāng)UCE增大后，輸入特性曲線向右移動，表示UCE對輸入特性有影響；當(dāng)UCE>1V后，曲線基本重合在一起。由圖1.34可見，三極管的輸入特性曲線和二極管的伏安特性曲線基本一樣，也存在死區(qū)電壓，硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V。三極管正常工作放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)上的導(dǎo)通壓降變化不大，硅管約為0.7V左右，鍺管約為0.3V左右。

2.輸出特性曲線

輸出特性曲線是指基極電流IB保持不變時，集電極電流IC與集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE之間的關(guān)系曲線。當(dāng)IB取不同值時，可以得到不同的曲線，因此三極管的輸出特性曲線不是一條，是一族曲線，如圖1.35所示。

每一條曲線（IB保持某一數(shù)值不變）起始時都是IC隨著UCE的增大而增大，當(dāng)UCE超過一定數(shù)值（約1V）后，UCE再增大，IC也不再有明顯增加，表現(xiàn)出恒流性質(zhì)；當(dāng)UCE大于1V后保持不變時，IB增大，曲線上移，相應(yīng)的IC也增大，而且IC比IB增加的多得多，這表示三極管具有電流放大的特性。

通常三極管的輸出特性曲線分為三個區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)，相對應(yīng)三極管有三種工作狀態(tài)：截止?fàn)顟B(tài)、放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。

1）截止區(qū)

IB=0所對應(yīng)的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。三極管工作在截止區(qū)（截止?fàn)顟B(tài)）的條件是：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。截止區(qū)（截止?fàn)顟B(tài)）的工作特點為：IB=0，IC=ICEO≈0，無電流放大作用。截止時，三極管各極之間相當(dāng)于開關(guān)斷開。

2）放大區(qū)

IB=0以上，曲線近似水平部分的區(qū)域為放大區(qū)。三極管工作在放大區(qū)（放大狀態(tài)）的條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三極管在放大區(qū)（放大狀態(tài)）的工作特點：IB>0，IC>0，且IC=βIB（或ΔIC=βΔIB），有電流放大作用；IC只受IB控制，幾乎與UCE的大小無關(guān)，三極管的IC電流具有恒流特性。放大狀態(tài)時，三極管可看做受基極電流控制的受控電流源。

3）飽和區(qū)

靠近縱軸，曲線呈直線上升的區(qū)域稱為飽和區(qū)。三極管工作在飽和區(qū)（飽和狀態(tài)）的條件：發(fā)射正偏，集電結(jié)正偏；該區(qū)UCE很小，把UCE=UBE，即集電結(jié)為零偏（UCB=0）時的狀態(tài)稱為臨界飽和。飽和區(qū)的工作特點是：IB>0，IC>0，但ΔIC≠βΔIB。曲線上，當(dāng)IB一定時，IC隨UCE的增加而迅速上升，當(dāng)UCE一定時，IC不隨IB的變化而變化，即IB失去了對IC的控制，三極管無放大作用。臨界飽和時IC≈βIB。飽和時的UCE值稱為三極管的飽和壓降UCES，硅管UCES≈0.3V，鍺管UCES≈0.1V。飽和時三極管各極間電壓都很小，相當(dāng)于開關(guān)閉合。

三極管放大區(qū)一般稱為線性工作區(qū)，常用于模擬電路中；把截止區(qū)和飽和區(qū)稱為非線性區(qū)，非線性區(qū)的特性又稱為三極管的開關(guān)特性，常用于數(shù)字電路中。

【例1.6】　用直流電壓表測量某放大電路中某個三極管各極對地的電位分別是：U1=2V，U2=6V，U3=2.7V。試判斷三極管各對應(yīng)電極與三極管類型。

【解】　本題的已知條件是放大狀態(tài)下三極管三個電極的電位，根據(jù)三極管能正常實現(xiàn)電流放大的條件可得三個電極電位關(guān)系是：NPN型管UC>UB>UE，PNP型管UC<UB<UE，且硅管放大時UBE約為0.7V，鍺管UBE約為0.2V。可得這類問題的分析步驟為：

（1）首先確定基極：電位居中的電極為基極b。

（2）再確定發(fā)射極：與基極電位相差0.7V或0.3V左右的電極為發(fā)射極e；同時可確定出管材：若電位差為0.7V左右，則是硅管；若電位差為0.3V左右，則是鍺管。所剩電位對應(yīng)電極為集電極c。

（3）最后確定管型：若UC>UB>UE，則是NPN型管；若UC<UB<UE，則是PNP型管。

題中，U3=2.7V電位居中，故其所在電極為基極；U1=2V與基極電位相差0.7V，故其所在電極為發(fā)射極，同時UBE=0.7V，故該管為硅材料管；所剩U2=6V所在電極為集電極，因有UC>UB>UE，故知該管為NPN型管。

【例1.7】　電路如圖1.36所示，已知UBE=0.7V，UCES=0.3V，試確定當(dāng)開關(guān)S分別位于a、b、c三個位置時，三極管的工作狀態(tài)，計算相應(yīng)IB、IC和UCE的值。

【解】　（1）當(dāng)S置于a點時，三極管發(fā)射結(jié)無外加電壓處于零偏，集電結(jié)反偏，因此三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。可知

IB=0，IC≈0，UCE=12-1×0=12（V）

（2）當(dāng)S置于b點時，發(fā)射結(jié)正偏，但集電結(jié)的偏置狀態(tài)不能確定，因而不能用結(jié)電壓的方法確定管子的工作狀態(tài)，需用電流來判斷，方法是：先求出三極管臨界飽和時所需的基極電流IBS值，因臨界飽和時有ICS≈βIBS，又因為飽和時UCE=UCES=0.3V，所以

再求出外電路實際給三極管提供的基極電流IB的值，若IB>IBS，則三極管工作在飽和狀態(tài)，若IB<IBS，則三極管工作在放大狀態(tài)。題中

即IB>IBS，故三極管工作在飽和狀態(tài)，有

UCE=UCES=0.3V

（3）當(dāng)S置于c點時，發(fā)射結(jié)正偏，有

三極管工作在放大狀態(tài)，有

UCE=UCC-ICRC=12-7.67×1=4.33（V）

1.3.4　三極管的主要參數(shù)

伏安特性完整地表示了晶體三極管的特性，實踐中人們還常常用一組數(shù)據(jù)來描述三極管的性能，這些數(shù)據(jù)就是三極管的參數(shù)，可以通過查半導(dǎo)體手冊得到。這些參數(shù)用來表示晶體三極管的各種性能指標(biāo)，是我們合理地選擇和正確使用三極管的依據(jù)，其主要的參數(shù)有以下幾個。

1.電流放大系數(shù)

電流放大系數(shù)是反映三極管電流放大能力強(qiáng)弱的參數(shù)，主要有共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)β，即

這兩個參數(shù)意義雖不同，但其數(shù)值非常接近，在工程計算上一般認(rèn)為

由于制造工藝的分散性，即使同一型號的三極管，β值也有很大差別，常用的β值在20～100。選擇三極管時，如果β值太小，則電流放大能力差；若β值太大，則會使工作穩(wěn)定件變差。

2.極間反向電流

（1）反向飽和電流ICBO是指發(fā)射極開路，集電結(jié)在反向電壓作用下形成的反向飽和電流。因為該電流是由少子定向運(yùn)動形成的，所以它受溫度變化的影響很大。常溫下，小功率硅管的ICBO<1μA，鍺管的ICBO在10μA左右。ICBO的大小反映了三極管的熱穩(wěn)定性，ICBO越小，說明其穩(wěn)定性越好。因此，在溫度變化范圍大的工作環(huán)境中，應(yīng)盡可能地選擇硅管。

（2）穿透電流ICEO是指基極開路，集電極與發(fā)射極間加上一定數(shù)值的反偏電壓時，由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)的電流。它與ICBO的關(guān)系為

ICEO=（1+β）ICBO

ICEO也是衡量三極管質(zhì)量的重要參數(shù)，它受溫度影響也很大，溫度升高，ICEO增大。當(dāng)ICEO不能忽略時，工作在放大區(qū)三極管的集電極電流表達(dá)式應(yīng)為

IC=βIB+ICEO

硅管的ICEO比鍺管的小，選管時，一般應(yīng)優(yōu)先選用硅管。

3.三極管的極限參數(shù)

（1）集電極最大允許電流ICM

當(dāng)集電極電流太大時，三極管的電流放大系數(shù)β值下降。把集電極電流增大到使β值下降到正常值的2/3時所對應(yīng)的集電極電流，稱為集電極最大允許電流ICM。為了保證三極管的正常工作，在實際使用中，流過的集電極電流iC必須滿足iC<ICM。

（2）反向擊穿電壓U（BR）CBO、U（BR）CEO和U（BR）EBO

U（BR）CBO是指當(dāng)發(fā)射極開路時，集電極與基極之間的反向擊穿電壓，是發(fā)射結(jié)所能承受的最高反向電壓。

U（BR）CEO是指當(dāng)基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。實際使用中，必須滿足UCE<U（BR）CEO，否則三極管會擊穿損壞。

U（BR）EBO是指當(dāng)集電極開路時，發(fā)射極與基極之間的反向擊穿電壓，是發(fā)射結(jié)所能承受的最高反向電壓。

（3）集電極最大允許耗散功率PCM

集電極最大耗散功率是指三極管正常工作時允許的最大消耗功率。三極管消耗的功率PC=ICUCE轉(zhuǎn)化為熱能損耗于管內(nèi)，并主要表現(xiàn)為溫度升高。當(dāng)三極管消耗的功率超過PCM值時，其發(fā)熱量將使管子性能變差，甚至燒壞管子。因此，在使用三極管時，PC必須小于PCM才能保證管子正常工作。

1.3.5　三極管的識別、檢測及使用注意事項

1.三極管的識別、檢測

三極管的管型、材質(zhì)、管腳的識別可以通過管殼上的符號、標(biāo)識來加以識別，不同性能、不同材料封裝的三極管的管腳排列都有一定的規(guī)律，平時接觸三極管時要多積累這方面的經(jīng)驗。下面主要介紹外觀上不能識別，用萬用表測試三極管的方法。

1）三極管管腳、管型的檢測判別

三極管內(nèi)部有兩個PN結(jié)，可以用萬用表R×100Ω或R×1kΩ擋測量PN結(jié)的正反向電阻來確定三極管的管腳、管型。

（1）檢測判定基極b和三極管的類型：首先假設(shè)三極管任一電極為基極b，并將黑表筆接在假定的基極上，再將紅表筆先后接另兩個電極上分別測得兩個電阻，如果兩次測得的阻值都很大（或都很小），而將黑、紅表筆對換后測得的另兩個電阻值又都很?。ɑ蚨己艽螅?，則假設(shè)的基極就是三極管的基極b。如果測得的阻值一大一小，說明假設(shè)錯誤，這時必須重新假設(shè)另一電極為基極，再重復(fù)上述的測試，直至出現(xiàn)上述的結(jié)果，找到真正的基極b。

基極確定后，將黑表筆接基極，紅表筆接其他兩極中的任一電極。若測得的電阻值都很小，則該管是NPN型管；若測得的電阻值都很大，說明是PNP型管。

（2）檢測判定集電極c和發(fā)射極e：萬用表撥到R×100Ω或R×1kΩ擋，紅、黑表筆分別接沒有確定的兩個電極上，對NPN管，用手捏住b極和黑表筆所接電極（注意兩電極不能接觸上），同時觀察萬用表指針偏轉(zhuǎn)情況。然后將紅、黑表筆對調(diào)再測一次，阻值?。ㄖ羔樒D(zhuǎn)大）的那一次黑表筆接的為集電極c，紅表筆接的為發(fā)射極e；對于PNP管，用手捏住b極和紅表筆所接電極（注意兩電極不能接觸上），同樣測兩次，阻值?。ㄖ羔樒D(zhuǎn)大）的那一次紅表筆所接為集電極c，黑表筆所接為發(fā)射極e。

2）對已知管型、管腳排列三極管的性能簡單判別（以NPN型為例）

（1）好壞的檢測：把萬用表撥到R×100Ω或R×lkΩ擋，測基極對另外兩個電極的電阻，然后將紅、黑表筆對調(diào)，再測一次基極對另外兩極的電阻，兩次中，若一次測得的電阻都很大，另一次測得的電阻又都很小，說明是好管；否則就是壞管，或管子性能變差。

（2）ICEO的估測：用萬用表撥到R×100Ω或R×lkΩ擋，黑表筆接集電極，紅表筆接發(fā)射極，測c、e間的電阻。測得的電阻越大，ICEO越小，管子性能越好；若測得阻值小或測試時萬用表的指針來回晃動，則表明ICEO很大，管子的性能不穩(wěn)定。

（3）估測放大倍數(shù)β：目前有些萬用表帶有β值測試功能，把被測三極管插入測試插孔即可測出管子的放大倍數(shù)。對無此功能萬用表，可用R×100Ω或R×1kΩ擋來判斷三極管有無放大能力及放大能力的大小。黑表筆接c極，紅表筆接e極，然后用手捏住b極和c級（b、c不能直接接觸），在此過程中觀察表頭指針的擺動幅度，若指針無擺動，說明無放大能力；若指針有擺動，說明三極管有放大能力，且指針擺動幅度越大，表明放大倍數(shù)越大。

3）大功率三極管的檢測

上述方法對檢測大功率三極管也是基本適用的，不過大功率三極管的反向飽和電流較大，所以使用萬用表應(yīng)用R×10Ω或R×1Ω擋。

2.三極管使用注意事項

（1）為保證三極管安全穩(wěn)定的工作，應(yīng)使三極管的IC<ICM，PC<PCM，UCE<U（BR）CEO。

（2）在溫度變化大的環(huán)境中使用三極管，要求反向電流小時，應(yīng)選硅管；當(dāng)要求導(dǎo)通電壓低時，應(yīng)選鍺管。

（3）三極管用于放大電路時，應(yīng)選用反向電流小的，而且β值也不宜過大，一般以幾十至一百左右為宜。

（4）當(dāng)輸入信號頻率高時，應(yīng)選用高頻管；若用于開關(guān)電路，應(yīng)選用開關(guān)管。

（5）晶體三極管有大功率管和小功率管之分，要根據(jù)電路中負(fù)載的大小選擇合適的功率管。