第3章
三極管基本結(jié)構(gòu)與放大原理：三國演義

將兩塊不同類型的雜質(zhì)半導(dǎo)體合并可以得到具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管。那么，如果把3塊相鄰類型不同的雜質(zhì)半導(dǎo)體層疊起來，然后通過金屬接觸面從3層半導(dǎo)體各引出一個電極，這樣就會構(gòu)成一種全新的元器件，也就是我們將要討論的三極管。它的學(xué)名是雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT），也稱為晶體三極管，是一種電流控制電流的半導(dǎo)體元器件，具有放大電流的功能，主要作用是把微弱的輸入信號放大成為幅值較大的輸出信號，是很多常用電子電路的核心元器件。

注意：廣義的三極管還包含場效應(yīng)管、達(dá)林頓管和晶閘管，以及絕緣柵雙極型晶體管等具備3個電極的晶體管，而本書所涉及的三極管均特指雙極結(jié)型晶體管，這也是行業(yè)工程師已經(jīng)達(dá)成共識的通俗稱謂。

根據(jù)層疊半導(dǎo)體材料性質(zhì)的不同，三極管可分為NPN與PNP兩種類型，前者由兩塊N型半導(dǎo)體夾一塊P型半導(dǎo)體構(gòu)成，后者由兩塊P型半導(dǎo)體夾一塊N型半導(dǎo)體構(gòu)成。硅管多為NPN型的，鍺管多為PNP型的，本書主要講解NPN型三極管的基本結(jié)構(gòu)與放大原理。

NPN型三極管的基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。

為了實現(xiàn)放大電流的目的，相互層疊的3塊雜質(zhì)半導(dǎo)體還有一定的特殊工藝要求。標(biāo)有符號“N+”的N型半導(dǎo)體的摻雜濃度很高（符號“+”表示高摻雜），這是它的主要特點。前面已經(jīng)提到過，N型半導(dǎo)體每摻入一個雜質(zhì)原子就會多出一個自由電子，所以這個“N+”區(qū)域的電子數(shù)量非常多，我們把這個區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)（Emitter Region），而把從發(fā)射區(qū)引出的電極稱為發(fā)射極（Emitter，E）。

中間夾著的P型半導(dǎo)體的特點是厚度很薄，一般也就幾微米到幾十微米。與發(fā)射區(qū)恰好相反，它的摻雜濃度很低，所以相對發(fā)射區(qū)而言，盡管它是P型半導(dǎo)體，但是它的多子（空穴）還是很少的，少子（電子）就更少了，我們把這個區(qū)域稱為基區(qū)（Base Region），而把從基區(qū)引出來的電極稱為基極（Base，B）。

剩下的那一塊面積最大的N型半導(dǎo)體的特點就很明顯了，看面相就知道了，就是面積很大，它的摻雜濃度較低，我們把這個區(qū)域稱為集電區(qū)（Collector Region），而把從集電區(qū)引出的電極稱為集電極（Collector，C）。

這3層硅半導(dǎo)體也形成了兩個PN結(jié)，我們把基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)（Emitter-Base Junction, EBJ），而把基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)（Collector-Base Junction, CBJ）。NPN型與PNP型三極管的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。

由于這是我們第一次接觸三極管，所以大家一定要注意電極（Electrode）、區(qū)（Region）和結(jié)（Junction）的區(qū)別。在實際進(jìn)行原理圖設(shè)計時，通常使用字母“VT”或“Q”作為位號標(biāo)記，其原理圖符號如圖3.3所示。

那為什么要命名為集電極與發(fā)射極呢？這些名稱是怎么來的？為什么把三極管稱為雙極結(jié)型晶體管？既然有雙極結(jié)型晶體管，那也應(yīng)該會有單極型吧？為了找到這些問題的答案，我們先從載流子的角度深入探討一下三極管進(jìn)行電流放大的基本原理。

話說天下大勢，分久必合，合久必分，在這片由3塊半導(dǎo)體材料層疊而成的疆域內(nèi)，也上演了一部群雄逐鹿中原的三國演義，我們的故事就發(fā)生在如圖3.4所示的半導(dǎo)體“勢力”的分布版圖內(nèi)。

第一幕：在這個看似和平實則波譎云詭的年代，總有一些暗流涌動的勢力正在潛伏著，只要時機(jī)成熟，戰(zhàn)爭將一觸即發(fā)。基區(qū)是集電區(qū)與發(fā)射區(qū)共同的鄰國，地理環(huán)境注定的資源匱乏而導(dǎo)致基區(qū)的國力一直非常弱。為了能夠在兵荒馬亂的時代中生存與發(fā)展，基區(qū)的國王一直臥薪嘗膽，時刻都在集電區(qū)與發(fā)射區(qū)培養(yǎng)己方的暗勢力。

NPN型三極管由兩塊N型半導(dǎo)體（發(fā)射區(qū)與集電區(qū)）夾著一塊P型半導(dǎo)體（基區(qū)）構(gòu)成。其中，基區(qū)很薄且摻雜濃度很低，所以多子（空穴）很少，少子（電子）就更少了（弱國嘛）。發(fā)射區(qū)與集電區(qū)都是N型半導(dǎo)體，但是發(fā)射區(qū)的摻雜濃度高很多，是3個區(qū)中摻雜濃度最高的，真可謂兵強(qiáng)馬壯，國力強(qiáng)盛，國王也一直對北方各區(qū)的疆土虎視眈眈，尤其是集電區(qū)。其國土面積比發(fā)射區(qū)要大得多，資源豐富，幅員遼闊，只不過集電區(qū)的邊境防守甚為嚴(yán)密，一直沒有給發(fā)射區(qū)任何機(jī)會。

第二幕：天剛剛破曉，一支百萬大軍從發(fā)射區(qū)大本營出發(fā)，浩浩蕩蕩地向北部的基-射邊境奔襲。發(fā)射區(qū)的主帥接到命令，讓其迅速掃平北方部落并臣服于發(fā)射區(qū)，從而統(tǒng)治天下！這個計劃已經(jīng)制定了很久了，但一直沒有等到時機(jī)。直到不久前探子來報，集電區(qū)邊境守城的主帥命令全城深溝高壘，加強(qiáng)防守！機(jī)會來了。

原來一直沒有任何處理的NPN型三極管被施加了兩個供電電源，如圖3.5所示。

我們通過電阻RB在三極管的基極（B）與發(fā)射極（E）之間施加5V的供電電壓，這樣就能夠使發(fā)射結(jié)進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)，并且假設(shè)發(fā)射結(jié)的正向壓降VBE約為0.6V，然后再通過電阻RC在集電極（C）與發(fā)射極（E）之間提供一個更大的偏置電壓。這個更大的偏置電壓有多大呢？實際上，只要不比發(fā)射結(jié)的正向壓降小就可以了，這里我們使用12V的供電電壓。

在這兩個供電電壓連接的一瞬間，三極管的內(nèi)部還沒有充分工作起來，此時我們認(rèn)為集電極的電位VC為12V。很明顯，此時三極管集電極的電位VC是大于基極的電位VB的，集電結(jié)由于被施加了反向偏置電壓而處于截止?fàn)顟B(tài)，如圖3.6所示。

我們通過電阻給三極管的各個電極施加一定電壓的目的就是使三極管處于放大狀態(tài)（Active Mode），也就是讓發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置，這是三極管進(jìn)入放大狀態(tài)的外部電壓偏置條件。很明顯，三極管目前的狀態(tài)是符合這個條件的。

我們也可以把三極管處于放大狀態(tài)的條件歸納為一個表達(dá)式，即VCE>VBE。也就是說，集電極與發(fā)射極（C-E）之間的壓降大于基極與發(fā)射極（B-E）之間的壓降，那么如果以發(fā)射極的電位VE為參考，則有VC>VB，VB>VE，同樣是“發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏”的意思，所以也可以使用VC>VB>VE來表示三極管處于放大狀態(tài)，如圖3.7所示為三極管進(jìn)入放大狀態(tài)的偏置條件。

從三極管進(jìn)入放大狀態(tài)需要一定的外部偏置電壓的角度來講，三極管屬于有源元器件（Active Device）。也就是說，要使三極管能夠正常工作，必須提供額外的能源（電源），而電阻、電容、電感器、二極管和變壓器之類的元器件屬于無源元器件（Passive Device），它們不需要電源也可以正常工作。例如，我們常見的音箱就分無源與有源兩種。無源音箱只需要將音頻信號線連接到如電腦、手機(jī)和MP3播放器之類的音頻輸出接口就可以了，這類音箱的內(nèi)部除揚(yáng)聲器外，最多還會有一些電阻、電容和電感器等無源元器件構(gòu)成的分頻器（用于將音頻信號分離成高音、中音和低音等不同成分，然后分別送入相應(yīng)的高、中和低音揚(yáng)聲器，以便各個音頻頻段都可以完整地被表現(xiàn)出來），或什么都沒有，一般適合于對聲音響度要求比較低的場合，我們常用的小耳塞也算是一種迷你型無源音箱。有源音箱卻需要額外提供電源，這類音箱的內(nèi)部具有放大輸入音頻信號的單元電路，適合對聲音響度要求比較高的場合，如舞臺、廣場和禮堂等。有源元器件與無源元器件如圖3.8所示。

好的，一切已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，一場戰(zhàn)爭馬上就要開始了，我們來觀察一下三極管內(nèi)部載流子的運動情況（都要同時注意多子與少子）。

第三幕：基區(qū)是一個小國家，無論從哪方面看都無法與發(fā)射區(qū)這個強(qiáng)國抗衡。眼瞅著百萬大軍兵臨城下，其稍微做了一下抵抗后就做出了一個英明無比的決策，即開城投降！很快，發(fā)射區(qū)這個強(qiáng)國的兵力就沖過了基-射邊境。

我們已經(jīng)提過：由濃度差而引起載流子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的定向運動稱為擴(kuò)散。當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)時，由于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度很高（3個區(qū)中最高），而基區(qū)的摻雜濃度最低，所以發(fā)射區(qū)的多子（電子）將源源不斷地穿過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，形成發(fā)射結(jié)電子擴(kuò)散電流，我們使用符號IEN來表示，其中E表示來自發(fā)射區(qū)，N表示由電子形成的電流，該電流的方向與電子運動的方向相反。

與此同時，基區(qū)的多子（空穴）也擴(kuò)散至發(fā)射區(qū)形成空穴擴(kuò)散電流，我們使用符號IEP來表示，其中P表示空穴形成的電流，該電流的方向與空穴運動的方向相同。由于基區(qū)的摻雜濃度很低，所以IEP相對于IEN是很小的。然而，革命的力量是不分大小的，我們一定要團(tuán)結(jié)一切可以團(tuán)結(jié)的力量，這樣才能最終實現(xiàn)目標(biāo)……不好意思，跑題了！

這里的IEN與IEP兩個電流就形成了發(fā)射極電流IE，即

IE=IEN+IEP　（3.1）

此時內(nèi)部載流子的狀態(tài)如圖3.9所示。

第四幕：百萬大軍已經(jīng)順利攻占基區(qū)城池，勢如破竹。由于基區(qū)沒有進(jìn)行有效的抵抗，從發(fā)射區(qū)奔襲的百萬大軍基本沒有損傷，正所謂“一鼓作氣”，主帥的命令是繼續(xù)揮師北上。然而，誰也沒想到，軍隊中有少量不明身份的人趁機(jī)與基區(qū)的人暗中聯(lián)絡(luò)部署。

從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的多子（電子）在基-射邊境（發(fā)射結(jié)）的附近濃度最高，離發(fā)射結(jié)越遠(yuǎn)（北上），濃度就越低，從而形成了一定的電子濃度差，這種濃度差使得擴(kuò)散到基區(qū)的電子繼續(xù)往集電結(jié)方向擴(kuò)散。

在電子擴(kuò)散的過程中，有一小部分與基區(qū)的多子（空穴）進(jìn)一步復(fù)合，從而形成基區(qū)電流IBN。由于基區(qū)很薄且摻雜濃度低，盡管基區(qū)是P型半導(dǎo)體且多子是空穴，但是空穴也還是很少的，所以從發(fā)射區(qū)注入的高濃度電子在擴(kuò)散的過程中與基區(qū)空穴的復(fù)合機(jī)會也很少，從而形成的電流IBN也就很小了。但它是組成基極電流IB的一部分（還有另外幾部分，我們很快將會看到），而絕大多數(shù)高濃度的電子都將被擴(kuò)散到集-基邊境（集電結(jié)），如圖3.10所示為高濃度的電子繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散。

第五幕：正如探子回報，集電區(qū)早就預(yù)料到發(fā)射區(qū)有攻打本國的意圖，已然吩咐下去，將所有城池拓寬加固，以防備所有可能的攻擊。然而，發(fā)射區(qū)的主帥已然準(zhǔn)備好了應(yīng)對之策，既然你要深溝高壘避而不戰(zhàn)，我就讓你“成于斯，敗于斯”，以子之矛攻子之盾。于是乎，大軍三更做飯，五更出發(fā)。

由于集電結(jié)被施加了反向偏置電壓，所以空間電荷區(qū)的內(nèi)電場被進(jìn)一步加強(qiáng)（PN結(jié)變寬）了，這樣反而對擴(kuò)散到集電結(jié)邊境的電子有很強(qiáng)的吸引力（電子帶負(fù)電，同性相斥，異性相吸）。我們也已經(jīng)提過：由電場的作用而引起的載流子的定向運動稱為漂移，所以高濃度的電子將會很順利地漂移通過集電結(jié)，從而形成集電極漂移電流ICN1，該電流的方向與電子漂移的方向相反，如圖3.11所示。

第六幕：得益于發(fā)射區(qū)主帥的奇囊妙計，發(fā)射區(qū)的大軍果然順利攻下了集電區(qū)，形成了全境統(tǒng)一的大好格局。但是，集電區(qū)的殘余勢力也乘機(jī)混入到了基區(qū)中，蟄伏待機(jī)，隨時可能會組織人手破壞國家的和平統(tǒng)一。

（1）集電極電流IC由3個部分組成。第一部分是發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的高濃度電子漂移到集電區(qū)后形成的電流，我們將其標(biāo)記為ICN1，它是形成IC的主要成分。

（2）實際上，當(dāng)發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的高濃度電子漂移到集電區(qū)時，還有很小一部分電子是基區(qū)本身的少數(shù)載流子，它們不是發(fā)射區(qū)注入的，我們把由它們漂移通過集電結(jié)形成的電流標(biāo)記為ICN2，它屬于IC的第二個部分。

（3）還有一部分是由集電區(qū)本身的少子（空穴）形成的。施加給集電結(jié)的反向偏置電壓有利于基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)，但同時對集電區(qū)的少子（空穴）漂移到基區(qū)也有積極意義。而集電區(qū)的空穴漂移到基區(qū)后，與基區(qū)的少子（電子）復(fù)合形成了電流，我們使用ICP來標(biāo)記。

所以，集電極電流IC可表達(dá)為下式：

IC=ICN1+ICN2+ICP 　（3.2）

需要注意的是：ICN2與ICP是由少子形成的，它們對電流的放大是沒有貢獻(xiàn)的，我們將其統(tǒng)稱為集電極-基極反向飽和電流（Collector-Base Reverse Current），并使用符號ICBO來標(biāo)記，即

ICBO=ICN2+ICP　（3.3）

集電極電流的成分如圖3.12所示。

第七幕：基區(qū)鑒于自身的固有境況，一直在發(fā)射區(qū)與集電區(qū)發(fā)展暗勢力，這次戰(zhàn)爭就是間接使計，利用發(fā)射區(qū)的決策層使發(fā)射區(qū)的主帥發(fā)兵（集電區(qū)深溝高壘的情報就是基區(qū)傳遞出去的），借用發(fā)射區(qū)的兵力來剿滅集電區(qū)。也就是說，主動權(quán)還是掌握在基區(qū)的手中的，只要控制施加給發(fā)射區(qū)的壓力，就可以將發(fā)射區(qū)的勢力為自己所用！好一招“螳螂捕蟬，黃雀在后”。

我們回過頭來分析基極電流IB的主要成分，同時要注意各成分電流的方向（電子的運動方向與電流的方向相反，而空穴的運動方向與電流的方向相同）。

基極電流IB包含4個部分，如下所示。

第一部分是IEP：它在發(fā)射區(qū)的多子（電子）注入到基區(qū)形成擴(kuò)散電流IEN的同時，基區(qū)的多子（空穴）也擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)而形成的電流，該電流的方向是向下的。

第二部分是IBN：它是發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的多子（電子）往集電結(jié)擴(kuò)散的過程中，有一小部分與基區(qū)的多子（空穴）進(jìn)一步復(fù)合而形成的電流，該電流的方向是向下的。

第三部分是ICN2：它是基區(qū)本身的少子（電子）跟隨注入到基區(qū)的高濃度電子一起漂移到集電區(qū)而形成的電流，該電流的方向是向下的。

第四部分是ICP：它是集電區(qū)的少子（空穴）漂移到基區(qū)形成的電流，該電流的方向也是向下的。

基極電流IB和集電極電流IC如圖3.13所示。

如果我們把基區(qū)當(dāng)成一個節(jié)點，根據(jù)基爾霍夫電流定律（Kirchhoff Current Laws, KCL），也稱為節(jié)點電流法，節(jié)點的輸入電流應(yīng)該等于輸出電流，則有：

IB+ICP+ICN2=IEP+IBN→IB=IEP+IBN-ICN2-ICP 　（3.4）

再結(jié)合式（3.3），我們可以將式（3.4）表達(dá)如下：

IB=IEP+IBN-ICBO　（3.5）

有人可能會問：ICN1與IEN右側(cè)的那部分電流不需要計算嗎？其實你可以算進(jìn)去，只不過這兩個部分是一樣的，把它們列入等式中就相互抵消了。

有人可能會再問：發(fā)射區(qū)的電子都跑到基區(qū)與集電區(qū)了，后續(xù)不就沒有電子了嗎？你想得太多了，外面有兩個電源呀，它們可以提供源源不斷的電子。

我們來回顧一下三極管放大電流的整個過程：在三極管的放大狀態(tài)下，只要控制三極管的發(fā)射結(jié)電壓VBE，基極電流IB也會隨之發(fā)生變化，這樣就可以控制發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)并漂移到集電區(qū)的電子數(shù)量，也就控制了集電極電流IC的變化，相當(dāng)于基極電流IB控制了集電極電流IC的變化，如圖3.14所示為三極管的整個放大過程。

從三極管放大電流的原理可以看到，所謂的三極管放大電流，并不是將基極電流IB直接放大，它只不過使用較小的IB（變化量）來控制較大的IC（變化量），從外部電路看就好像IB被放大了一樣，這與“四兩拔千斤”是一個道理。

我們還可以看到，在三極管對IB進(jìn)行放大的過程中，電子是從濃度最高的區(qū)域發(fā)射出來的，所以我們才把三極管結(jié)構(gòu)中標(biāo)有“N+”的區(qū)域形象地稱為發(fā)射區(qū)，這個區(qū)域引出的電極就稱為發(fā)射極，而面積最大的區(qū)域是用來收集來自發(fā)射區(qū)的電子的。從圖3.1也可以看到，集電區(qū)實際上包圍著發(fā)射區(qū)，注入到基區(qū)的電子很難逃脫被收集的命運，所以我們把這塊面積最大的區(qū)域形象地稱為集電區(qū)，而引出的電極就稱為集電極，如圖3.15所示為電子的發(fā)射與收集。

同時還應(yīng)該注意到，在整個電流放大的過程中，有電子參與，也有空穴參與，這就是我們把三極管稱為雙極結(jié)型晶體管的原因。當(dāng)然，也有單極型晶體管，這種類型的晶體管內(nèi)部只有一種載流子參與導(dǎo)電，如場效應(yīng)管，這已經(jīng)超出了本書的范圍，此處不再講解。

事實上，也可以從電阻率的角度來描述電流的放大原理。我們可以把三極管看作一個受基極電流控制的電位器，如圖3.16所示為從電阻率的角度理解三極管放大的原理。

電位器根據(jù)基極電流的變化情況，實時修改三極管C-E之間的電阻率（阻值），以維持集電極電流IC與基極電流IB之間的比例放大關(guān)系，這可以作為三極管對電流進(jìn)行放大的通俗理解（盡管將三極管C-E之間看作一個電位器并不是很準(zhǔn)確，但現(xiàn)階段的我們可以這么認(rèn)為）。

有人可能會嘀咕了：三極管的電流放大能力也沒什么稀奇的，變壓器也可以做到呀！只要我們控制變壓器初級與次級的線圈匝數(shù)比（N1∶N2），輸入電流一樣也可以被放大，如圖3.17所示為變壓器如何進(jìn)行電流的放大。

乍看起來好像有道理，我們姑且不討論普通變壓器無法“放大”直流的情況，變壓器與三極管的主要區(qū)別在于：變壓器的輸入能量與輸出能量是守恒的。雖然通過調(diào)整變壓器初級與次級匝數(shù)比的方式可以“放大”電壓或電流，但是變壓器沒有辦法放大功率，輸出功率總是不可能大于輸入功率的。而三極管就不一樣了，輸出功率可以遠(yuǎn)大于輸入功率，它可以對輸入信號進(jìn)行功率放大，而輸出信號多出的那部分功率就來源于外接的供電電源。

從圖3.15中可以看到，基極電流IB與集電極電流IC是流入三極管的，而發(fā)射極電流IE是流出三極管的。很明顯，如果我們把整個三極管當(dāng)成一個節(jié)點，那么它的輸入與輸出電流也應(yīng)該符合節(jié)點電流法，即

IE=IB+IC　（3.6）

對于PNP型三極管，各個電極的電流大小也符合式（3.6），只不過電流的方向恰好與NPN型三極管電流的方向相反，如圖3.18所示為NPN型和PNP型三極管的電流方向。

通過圖3.18觀察各個電極的電流方向，可以知道原理圖符號中的箭頭方向代表發(fā)射極總電流的方向。所以，今后大家判斷三極管各個電極的電流方向時，就不需要再觀察稍顯復(fù)雜的載流子示意圖了，太麻煩！載流子示意圖只是方便我們從微觀層面理解電流的放大原理。換句話說，就是從戰(zhàn)術(shù)上重視它，從戰(zhàn)略上藐視它，在實際電路分析設(shè)計應(yīng)用的層面，我們只需要知道這兩個原理圖符號就行了。

正所謂：好馬配好鞍。宏觀層面上三極管的電流放大行為也可以從另一個角度更容易地被理解。假設(shè)有一條水路管道，如圖3.19所示。

在沒有安裝水泵的前提下，水壓只能保證從E入口進(jìn)來的水勉強(qiáng)流到B出口，此時C出口是沒有水流出的。直到我們在C管道安裝了一個水泵，額外增加的水壓才能把水抽往C出口。三極管也是同樣的道理，我們早就提過，空穴是一種假想的載流子，它并不是真實存在的，實際參與導(dǎo)電的只有電子。因為基區(qū)非常薄，從發(fā)射區(qū)注入的電子（相當(dāng)于水流）很自然就會聚焦在集電結(jié)邊界，又由于集電結(jié)兩端被施加了反向偏壓（相當(dāng)于一個水泵），所以大部分電子被“抽”到集電區(qū)而形成集電極電流，而只有小部分形成基極電流。

行文至此，有一個問題自然就浮出水面了：我們說三極管可以對基極輸入的小電流進(jìn)行放大，那么怎么樣去衡量這種放大能力呢？為了回答這個問題，我們首先還是得回過頭分析一下在前面提到的那么多電流當(dāng)中，真正參與電流放大的部分是哪些呢？

仍然需要明確一點的是，只有多數(shù)載流子才是對電流的放大真正有用的，而少數(shù)載流子對電流的放大是無貢獻(xiàn)的，且通常會影響三極管的電流放大質(zhì)量（尤其是環(huán)境溫度的變化比較大時）。從三極管的電流放大原理可以知道，基極電流通過控制從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子數(shù)量達(dá)到電流放大的目的，并且注入到基區(qū)的電子數(shù)量可以通過摻雜濃度來控制，而少子在本征半導(dǎo)體階段就已經(jīng)存在了，它們是受熱能、光照和電壓等影響而激發(fā)出來的電子空穴對。換句話說，你是否對本征半導(dǎo)體摻雜都不會影響它們的存在，我們很難去控制它們的數(shù)量。從戰(zhàn)爭的角度來看，如果一支軍隊不受你的控制，那么這支軍隊的戰(zhàn)斗力還屬于你嗎？答案當(dāng)然是否定的！同樣的道理，少數(shù)載流子形成的電流也不應(yīng)該納入電流放大（或控制）能力的范疇。

從前面的分析可以知道，基極電流IB是輸入的原始電流，而集電極電流IC是放大后的輸出電流。IB包含4個部分，即IB=IEP+IBN-ICN2-ICP，實質(zhì)上對電流的放大有貢獻(xiàn)的成分只是IEP和IBN，因為它們是由各個區(qū)的多子擴(kuò)散而形成的。而另外兩個部分ICN2和ICP是由少數(shù)載流子形成的，我們已經(jīng)將它們標(biāo)記為集電極-基極之間的反向飽和電流ICBO。集電極電流IC包含3個部分，即IC=ICN1+ICN2+ICP，其中ICN2+ICP同樣是我們剛剛提到的ICBO。也就是說，集電極電流中有用的成分就只有ICN1。

我們把集電極電流IC中對電流的放大有用的成分ICN1與基極輸入電流IB中對電流的放大有用的成分（IEP+IBN）的比值稱為電流放大系數(shù)（準(zhǔn)確來說是“共發(fā)射極電流放大系數(shù)”，后續(xù)會進(jìn)一步討論）或電流增益（Current Gain），并且使用符號β來標(biāo)記，則有下式：

三極管的電流放大倍數(shù)越大，表示對輸入電流的放大（控制）能力越強(qiáng)，它是三極管在放大電路應(yīng)用中非常重要的一個電氣參數(shù)。常用的β在20～200之間，還有一種超β三極管的電流放大倍數(shù)能達(dá)到幾百甚至上千。當(dāng)然，對于實際的三極管應(yīng)用電路，β不一定越大越好。β過大的三極管更容易受到溫度的影響，從而也就更容易出現(xiàn)熱穩(wěn)定性問題。

實際使用的三極管的ICBO通常比較小，一般遠(yuǎn)小于基極電流IB，比集電極電流IC更小。所以，為了應(yīng)用與分析的方便，我們通常就直接把IC與IB的比值作為電流的放大系數(shù)，即

前面我們也提到過，β的全名應(yīng)該是“共發(fā)射極電流放大系數(shù)”（Common-Emitter Current Gain），什么意思呢？我們可以把圖3.13簡化為圖3.20所示的三極管放大電路的原型，只是使用三極管的原理圖符號代替載流子的示意圖，供電電源使用符號來標(biāo)記，而不是具體的數(shù)值。

從圖3.20中可以看到兩個回路：輸入回路，包含電源VBB、電阻RB和三極管VT1，該回路使用到了VT1的基極與發(fā)射極；輸出回路，包含電源VCC、電阻RC和VT1，該回路使用到了VT1的集電極與發(fā)射極。很明顯，兩個回路共用三極管的發(fā)射極，所以我們把圖3.20所示的三極管的連接方式稱為共發(fā)射極（Common-Emitter）或發(fā)射極接地（Grounded-Emitter）連接組態(tài)。

在三極管共發(fā)射極連接組態(tài)的放大電路中，基極電流IB是輸入電流，集電極電流IC是輸出電流，那么電流放大系數(shù)就是IC與IB的比值，也就是剛剛提過的β，所以我們才把它稱為共發(fā)射極電流放大系數(shù)，簡稱共射電流放大系數(shù)，或電流放大系數(shù)。

實際上，還有一種共基電流放大系數(shù)（Common-Base Current Gain），對應(yīng)的是三極管的共基極連接組態(tài)，如圖3.21所示為三極管的共基極連接組態(tài)。

很明顯，輸入與輸出回路共用VT1的基極，所以它是共基極組態(tài)連接的方式。與共發(fā)射極組態(tài)連接有所不同的是，該電路的輸入是發(fā)射極電流IE（而不是基極電流IB）。但是，我們?nèi)匀豢梢园鸭姌O電流IC與發(fā)射極電流IE的比值稱為共基電流放大系數(shù)，并使用符號α來表示，如下式：

很明顯，無論三極管的連接組態(tài)怎么樣，它的電流放大原理總是不會變的，所以集電極電流IC總是會小于發(fā)射極電流IE，即α<1，其值一般在0.9～0.998之間。

當(dāng)然，你也可以使用前面介紹的β來表示α，我們可以簡單地推導(dǎo)一下：

你也可以反過來用α來表示β，自己簡單推導(dǎo)一下就可以了，如下式：

有人可能會想：既然有共發(fā)射極與共基極連接組態(tài)，那應(yīng)該也會有共集電極（Common-Collector）連接組態(tài)吧？沒錯！我們觀察如圖3.22所示三極管共集電極的連接組態(tài)。

同樣可以看到，輸入與輸出兩個回路共用VT1的集電極，也就是共集電極連接組態(tài)。需要指出的是，無論三極管使用哪種連接組態(tài)，如果要讓三極管處于放大狀態(tài)，那么發(fā)射結(jié)就必須是正向偏置的，而集電結(jié)必須是反向偏置的，這一點總是不會變的。

有人可能會想：那應(yīng)該也有一個共集電流放大系數(shù)吧？不要想當(dāng)然，這個還真沒有！

從圖3.22中可以看到，共集電極連接組態(tài)放大電路的電流放大系數(shù)就是發(fā)射極電流IE與基極電流IB的比值，我們可以使用前面介紹的共射電流放大系數(shù)β或共基電流放大系數(shù)α來表示，而沒有必要額外再弄一個參數(shù)，簡單推導(dǎo)如下：

實際上，電流的放大系數(shù)可以分為交流與直流兩種，這兩者有什么區(qū)別呢？我們假定某三極管在放大的狀態(tài)下測得各個電極的電流值如表3.1所示。

我們把集電極電流IC的變化量與基極電流IB的變化量的比值稱為交流放大系數(shù)，用符號β來表示，如下式：

式（3.14）中的符號“?”表示變化量。例如，基極電流IB從10μA變化到20μA時，相應(yīng)的集電極電流IC從1mA變化到3mA，那么交流放大系數(shù)β=（3mA-1mA）/（20μA-10μA）=200。

而直流放大系數(shù)是集電極電流IC與對應(yīng)基極電流IB的比值，而不是變化量的比值，我們使用符號來表示。例如，IB=10μA時，IC=1mA，相應(yīng)的；而當(dāng)IB=20μA時，IC=3mA，相應(yīng)的。

很明顯，即使是同一個三極管，β與很有可能是不一樣的。而前面提到的都可以算是直流放大系數(shù)，所以真正的符號應(yīng)該是。但是，在基極電流變化不大的情況下，我們可以認(rèn)為這兩個值是近似相等的。所以，為了后續(xù)分析方便，如果沒有特別注明，我們將不對這兩個參數(shù)加以區(qū)分，統(tǒng)一使用β來表示。

當(dāng)然，有些資料描述交流放大系數(shù)β時也會使用符號hfe來表示，所以直流放大倍數(shù)相應(yīng)也會使用hFE來表示，它們所要表示的意思是一致的，后續(xù)我們還會進(jìn)一步討論。而對于共基電流放大系數(shù)α，同樣也有相似的交流與直流放大系數(shù)，大家了解一下即可。

需要特別指出的是，由于三極管的發(fā)射結(jié)是一個PN結(jié)，所以iE與B-E之間的電壓vBE的關(guān)系與式（2.2）一樣，它們之間的關(guān)系近似遵循下式：

結(jié)合式（3.9），則有：

其中，飽和電流IS與發(fā)射結(jié)的面積成正比。假設(shè)三極管A的發(fā)射結(jié)面積為三極管B的2倍（其他都相同），那么三極管A的飽和電流就是三極管B的2倍。如果我們給這兩個三極管施加相同的vBE，那么三極管A的集電極電流就是三極管B的2倍，這個概念經(jīng)常在集成電路設(shè)計中被采用，所以請務(wù)必牢記這兩個式子。