1.3 晶體管

半導體三極管也稱晶體管或三極管，是由兩個背靠背的PN結構成的。它是電子電路的核心元件，其主要功能是具有電流放大作用。

1.3.1 晶體管的結構、外形和分類

1.晶體管的結構

晶體管按其結構分為NPN型與PNP型兩種，晶體管的圖形符號及結構如圖1.3-1所示，圖1.3-1（a）所示為NPN型晶體管，圖1.3-1（b）所示為PNP型晶體管。

（1）晶體管的符號。

晶體管的文字符號用“V”或“VT”表示。基極用一段橫線和字母b表示，發射極用一個箭頭和字母e表示（箭頭的方向表示發射極電流的方向），集電極用一段斜線和字母c表示。

（2）晶體管的基本結構。

晶體管是由三個電極、三個區和兩個PN結組成的。三個區分別叫做集電區、基區、發射區；每個區分別引出一根導線作為電極，分別叫做集電極（c）、基極（b）、發射極（e）；集電區與基區之間的PN結叫做集電結，基區與發射區之間的PN結叫做發射結。

（3）晶體管的結構特點。

①集電區與發射區是由同種半導體材料構成的，基區的半導體材料與集電區、發射區的不同，這樣才能構成兩個PN結。

②發射區的摻雜濃度遠大于集電區，有利于發射區發射載流子和集電區吸收載流子。

③基區的特點是摻雜濃度特別低，而且基區也很薄。這樣才能使晶體管具有較大的電流放大作用。

以上是晶體管的內部結構特點，這是使晶體管具有電流放大作用的內部條件，這個內部條件在晶體管制造時就確定了。為了使晶體管具有電流放大作用，還必須滿足它的外部條件，即給晶體管加合適的工作電壓，這個外部條件是晶體管在使用中必須滿足的。

2.晶體管的外形

如圖1.3-2所示是常見的晶體管外形圖和引腳分布圖。

3.晶體管的類型

晶體管的類型按所用半導體材料來分，晶體管有硅管和鍺管兩種；按導電極性來分，硅管和鍺管均有NPN型和PNP型兩種；按工作頻率來分，有低頻管和高頻管兩種；按功率來分，有小功率管和大功率管兩種。

【閱讀材料】晶體管的型號命名方法

晶體管的型號命名由五部分構成：第一部分用阿拉伯數字3表示晶體管；第二部分為半導體材料與極性，用漢語拼音字母表示；第三部分為晶體管的類別，用漢語拼音字母表示；第四部分為產品序號，用阿拉伯數字表示；第五部分為晶體管的規格號，用漢語拼音字母表示。晶體管型號命名中的第二部分及第三部分的意義比較復雜，其具體含義見表1.3-1。

表1.3-1 晶體管型號命名中的第二部分與第三部分的意義

例如，3AX31A——PNP型，鍺材料，低頻小功率晶體管；3DG8C—NPN型，硅材料，高頻小功率晶體管。

1.3.2 晶體管的放大作用及其主要特性

1.晶體管具有放大作用的外部條件

為了使晶體管具有放大作用，必須給晶體管加合適的工作電壓，這就是使晶體管具有放大作用必須滿足的外部條件。

（1）發射結正向偏置。

為了使發射區向基區發射載流子，就必須給晶體管的發射結加正向偏置電壓UBE。硅管UBE為0.6～0.7V，鍺管UBE為0.2～0.3V。

（2）集電結反向偏置。

為了使從發射區涌入基區的載流子能夠穿過集電結進入集電區，必須給晶體管的集電結加反向偏置電壓UCB，UCB可為零點幾伏至幾十伏。

總之，為了使晶體管具有放大作用，必須滿足晶體管的外部條件，即發射結正偏，集電結反偏（NPN型晶體管c、b、e三極的電位符合UC＞UB＞UE；PNP型晶體管c、b、e三極的電位符合UC＜UB＜UE）。

2.晶體管的電流分配與放大作用

現在，通過實驗來了解晶體管的放大作用和其中的電流分配情況，實驗電路如圖1.3-3所示。

將晶體管接成兩個回路，一條是由電源UBB的正極經過電阻RB、基極、發射極到電源UBB的負極，稱為基極回路，也稱為偏置電路。另一條是由電源UCC的正極經過RC、集電極、發射極再到UCC的負極，構成集電極回路。各支路中串有電流表，集電極與發射極可接毫安表。若基極電流很小，可采用微安表。

若改變可變電阻的阻值，則基極電流、集電極電流和發射極電流都發生變化，電流方向在圖1.3-3中已標出。電流測量結果已填入表1.3-2中。

表1.3-2 晶體管的電流放大作用

由實驗及測量結果可得出如下結論：

①晶體管的發射極電流等于集電極電流與基極電流之和，晶體管就像電路的一個結點，流入晶體管的電流等于流出晶體管的電流，即

IE=IC+IB （1.3-1）

②基極電流比集電極電流和發射極電流小得多，通常可認為發射極電流等于集電極電流，即

IE≈IC?IB （1.3-2）

③晶體管有電流放大作用，從表1.3-2第三列和第四列的數據中可以看到，IC、IB的比值分別為

可見，當改變基極電流時，集電極電流也隨著改變，但是集電極電流和基極電流的比卻總保持為一個常數，晶體管的這個特性就叫做直流電流放大作用。IC與IB的比叫做晶體管共發射極直流電流放大系數β，用公式表示為

電流放大作用還體現在基極電流IB的微小變化可以引起集電極電流IC的較大變化。比較表1.3-2第三列和第四列的數據，可得出IC、IB的變化比值為

可見，當基極電流有一個較小的變化量ΔIB時，集電極電流就會有一個較大的變化量ΔIC與之對應，并且它們的比值始終保持為一個常數。晶體管的這個特性就叫做晶體管的交流電流放大作用，ΔIC與ΔIB的比叫做晶體管共發射極交流電流放大系數β，用公式表示為

應當注意的是，晶體管的和β有本質的區別，它們分別指晶體管對靜態電流和動態電流的放大作用。它們的共同點在于都是通過較小的基極電流去控制較大的集電極電流。低頻時二者的數值近似相等。

1.3.3 晶體管的連接方法

晶體管的主要用途是構成放大器。放大器就是把微弱的電信號（電壓或電流）放大的一種裝置。放大器應該是一個四端網絡，它必須有兩個輸入端和兩個輸出端，如圖1.3-4（a）所示。但是晶體管只有三個電極，如何才能把晶體管接成一個四端網絡的放大器呢？常用的方法是：用晶體管的一個極作為輸入端，另一個極作為輸出端，第三個極作為輸入和輸出的公共端。放大器的接法命名時，哪個極為公共端，就稱為共哪個極的接法。這樣，晶體管放大器就有三種接法（或稱三種組態），即共發射極接法、共集電極接法和共基極接法，分別如圖1.3-4（b）～圖1.3-4（d）所示。

1.共發射極接法

共發射極接法就是基極作為輸入端，集電極作為輸出端，發射極作為公共端，如圖1.3-4（b）所示。這種接法的應用最為普遍。

2.共集電極接法

共集電極接法就是基極作為輸入端，發射極作為輸出端，集電極作為公共端。由于這種電路以發射極作為輸出端，所以這種電路又叫做射極輸出器，如圖1.3-4（c）所示。

3.共基極接法

共基極接法就是發射極作為輸入端，集電極作為輸出端，基極作為公共端，如圖1.3-4（d）所示。

1.3.4 晶體管的特性曲線

同二極管一樣，晶體管各極電流電壓的關系稱為晶體管的伏安特性曲線。由于晶體管有三種連接方法，每種連接形式的電壓—電流關系都不一樣，因此，這里只討論最常用的共發射極特性曲線。

晶體管接成共發射極電路時，組成兩個回路，如圖1.3-3所示，一個是輸入回路，即基極和發射極構成的回路。另一個是輸出回路，即集電極和發射極構成的回路。描述這兩個回路的電壓和電流關系，需要兩組特性曲線。

1.輸入特性曲線

晶體管的輸入特性與二極管的正向特性相似，它的兩個PN結相互影響，因此，輸出電壓UCE對輸入特性有影響，且UCE＞1時，這兩個PN結的輸入特性基本重合。用UCE=0和UCE≥1，三條曲線表示，如圖1.3-5所示。

2.輸出特性曲線

通過圖1.3-6所示的輸出特性曲線可以看出：

①當UCE從零開始增大時，IC隨UCE的增大而迅速增加（曲線OA段）；當UCE≈UBE時，曲線增長減慢；這是因為當UCE＜UBE時，集電結處于正偏狀態，收集電子的能力很弱，IC很小；隨著UCE的增大，集電結收集電子的能力迅速增強，IC迅速增大，IC受UCE的影響很大。

②當UCE＞UBE時，輸出特性曲線基本與UCE軸平行，IC不再隨著UCE的增大而增大，基本保持為一個恒定值不變。這是因為UCE＞UBE時，集電結已經反偏，晶體管已進入放大狀態，晶體管各極電流分配關系已經確定，IC只受控于IB；在IB保持不變的情況下，輸出特性曲線基本與UCE軸平行。

③輸出特性曲線簇和三個工作區。在應用中，常把輸出特性曲線簇分為三個工作區，即截止區、飽和區和放大區。它們分別對應于晶體管的三種工作狀態。晶體管工作在不同的區域時，具有不同的特性。

a.截止區。一般把IB≤0的區域叫做截止區，圖1.3-6（b）中，IB=0與UCE軸之間的區域。在這個區域中，相應的IC近似為零，晶體管處于截止狀態，即晶體管兩個PN結均反偏。但實際上，集電極仍有一個極小的電流，我們把它叫做穿透電流，用ICEO表示。

b.飽和區。各條輸出特性曲線的UCE=UBE點左邊的區域［如圖1.3-6（a）中的A點］叫做飽和區。在飽和區，UCE＜UBE，晶體管的兩個PN結都正偏，集電結不具有收集載流子的能力；各IB值所對應的輸出特性曲線幾乎重合在一起。當UCE升高時，IC隨著增大；而當IB變化時，IC卻基本不變；所以，晶體管在飽和區失去了電流放大作用。

一般認為，當UCE=UBE，即UCB=0時，晶體管處于臨界飽和態；當UCE＜UBE時，晶體管處于深飽和態。通常把晶體管出現飽和時的集電極—發射極電壓稱為飽和壓降，用UCES表示，一般小功率硅管的UCES＜0.4V。

c.放大區。由各條輸出特性曲線的平直部分所組成的區域叫做放大區。在放大區，晶體管處于發射結正偏、集電結反偏的放大狀態。IC與UCE基本無關，即當UCE變化時，IC基本不變，IC只受控于IB；當IB有一個微小變化量時，IC就有β倍的變化量與之對應，即ΔIC=βΔIB。這一關系充分表現了晶體管的電流放大作用。

在此需要指出的是，截止區、飽和區和放大區都是晶體管的工作區。當晶體管工作在這三個區時，分別處于截止態、飽和態和放大態。

④晶體管的開關特性。晶體管的開關特性如下：

a.飽和態的晶體管相當于一個閉合的開關。當晶體管工作于飽和區時，（硅管）UBES=0.7～0.8V，UCES=0.1～0.3V，IC不受IB的控制，即當IB變化時，IC基本保持不變。此時，晶體管的集電極—發射極之間相當于一個閉合的開關，流過“開關”的電流就是晶體管的飽和電流ICS。

b.截止態的晶體管相當于一個斷開的開關。當晶體管工作于截止區時，（硅管）UBE＜0.5V，IB=0，IC≈0。此時，晶體管的集電極—發射極之間如同一個斷開的開關，流過“開關”的只有極小的穿透電流ICEO。

1.3.5 輸出特性曲線的應用

【例1.3-1】 圖1.3-7畫出了硅晶體管3DG6的輸出特性曲線。

（1）設UCE=5V，分別求IB=20μA、IB=40μA、IB=60μA時的值。

（2）設IB=60μA，分別求UCE=5V，UCE=10V時的β值。

（3）分別求ΔIB=40-20μA，ΔIB=60-40μA，ΔIB=100-80μA時的值（UCE=5V）。

解：（1）IB=20μA時，對應曲線上IC=3.2mA

IB=40μA時，對應曲線上IC=6.2mA

IB=60μA時，對應曲線上IC=8.7mA

（2）IB=60μA，UCE=5V時，題（1）已求出；

UCB=10V時，對應曲線上IC=9.2mA，

（3）ΔIB=40-20=20μA時，對應ΔIC=6.2-3.2=3mA，

ΔIC=60-40=20μA時，對應ΔIB=8.7-6.2=2.5mA，

ΔIC=100-80=20μA時，對應ΔIB=14.5-11.4=3.1mA，

由例題可看出，和β物理意義上和數值上都是不同的，但是在低頻時它們的數值相差很小，因此使用中常認為二者相等。還隨IC的增大而減小，隨UCE的增大而增大。

【例1.3-2】 圖1.3-8畫出了3DG4在20℃和150℃時的輸入、輸出特性曲線，試說明溫度對晶體管特性曲線的影響。

解：從輸入特性曲線看出：

20℃，IB=60μA時，對應曲線上UBE=0.7V；

150℃，IB=60μA時，對應曲線上UBE=0.5V。

說明：在IB相同的條件下，溫度升高，UBE減小。

從輸出特性曲線看出：

20℃，IB=0.4mA時，UCE=10V，IC=20mA，；

150℃，IB=0.4mA，UCE=10V，IC=29mA，。

說明：溫度升高β值也增加，同樣會使ICEO值成倍增大。如果實際使用中，不能對晶體管進行有效散熱，會使管子造成損壞。

課堂討論：若把晶體管的集電極當做發射極，而把發射極當做集電極來使用，晶體管有沒有放大作用，為什么？

分析：當晶體管的c、e極互換后，只要滿足發射結正偏，集電結反偏的條件，晶體管仍然有放大作用。但是放大倍數比正常使用時小很多。這是因為在制造晶體管時，發射區為重摻雜區，其發射載流子的能力強。集電結面積大，提高了集電結的收集能力。當把c、e極互換后，由于集電區載流子濃度低，發射載流子的能力就低。發射區面積小，不能有效地收集載流子，所以同正常使用時相比，對應同樣大小IB、IC的值就小得多，如圖1.3-9所示。因此實際應用中晶體管的c、e極是不能互換的。

1.3.6 晶體管的主要參數

晶體管的參數是晶體管性能的重要標志。由于制造工藝不同，晶體管的性能往往有很大的差別。在實際應用中，一定要根據電路的要求選擇合適的晶體管。晶體管的主要參數有放大特性參數、直流特性參數和極限參數三種。

1.晶體管的放大特性參數

晶體管的放大特性參數是表示晶體管放大能力的重要參數。

（1）共發射極直流電流放大系數。

晶體管工作在放大區時，集電極電流IC與基極電流IB的比叫做晶體管的共發射極直流電流放大系數，用公式表示為

這個參數表示晶體管對直流電流的放大能力。在晶體管手冊中，常用HFE表示。

（2）共發射極交流電流放大系數β。

晶體管工作在放大區時，集電極電流的變化量ΔIC與基極電流的變化量ΔIB的比叫做晶體管的交流電流放大系數，用公式表示為

這個參數表示晶體管對交流電流的放大能力。在晶體管手冊中，β常用hfe表示。

雖然與β的含義顯然不同，但是在輸出特性曲線近于平行、等距且ICEO較小的情況下，與β的數值是接近的。今后在對放大電路進行分析時，常用這個近似關系進行估算。

（3）共基極直流電流放大系數。

晶體管工作在放大區時，集電極電流IC與發射極電流IE的比叫做晶體管的共基極直流電流放大系數，用公式表示為

這個參數表示晶體管在共基極接法時的電流放大能力。因為IE≥IC，所以，即在共基極接法時，晶體管不具有電流放大能力。

與β相應的還有α，用來表示在共基極接法時的交流電流放大能力。用公式表示為

2.晶體管的直流特性參數

晶體管的直流特性參數是表示晶體管工作穩定性的重要參數。

（1）集電極—基極反向飽和電流ICBO。

當發射極開路、集電結加有規定的反向電壓時，從集電極流向基極的反向電流叫做集電極—基極反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO是由少數載流子形成的電流，它具有很強的熱敏性；ICBO越小，晶體管的溫度穩定性越好。一般小功率硅晶體管的ICBO＜1μA。

（2）集電極—發射極反向飽和電流ICEO。

當基極開路時，由集電極流向發射極的電流叫做集電極—發射極反向飽和電流，用ICEO表示，ICEO又叫穿透電流。在數值上，ICEO等于ICBO的（）倍，即

ICEO是由少數載流子形成的電流，它不受IB的控制。ICEO具有很強的熱敏性，當溫度升高時，ICEO增長很快。ICEO越小，晶體管的熱穩定性越好。硅晶體管的ICEO很小，一般在1μA以下；鍺晶體管的ICEO較大，一般為幾十至幾百微安。

3.晶體管的極限參數

極限參數是晶體管在使用中為了安全而不得超過的重要參數。

（1）集電極—基極反向擊穿電壓U（BR）CBO。

它是指當發射極開路時，集電結兩端所能承受的最高反向電壓。

（2）發射極—基極反向擊穿電壓U（BR）EBO。

它是指當集電極開路時，發射結兩端所能承受的最高反向電壓。

（3）集電極—發射極反向擊穿電壓U（BR）CEO。

它是指當基極開路時，集電極與發射極之間所能承受的最高反向電壓。

（4）集電極最大允許電流ICM。

當晶體管的β值下降到最大值的0.5倍時所對應的集電極電流，叫做集電極最大允許電流，用ICM表示。因為，當集電極電流超過ICM時，晶體管的放大能力將明顯下降，所以在實用中，不得使晶體管的集電極電流超過集電極最大允許電流ICM。

（5）集電極最大允許耗散功率PCM。

晶體管工作時，由于集電結所加電壓較高，當IC通過集電結時，管芯將發熱。根據晶體管工作時允許的最高溫度（硅管約為150℃，鍺管約為75℃），規定了集電極最大允許耗散功率PCM。

集電極功率損耗PC是指集電極—發射極電壓UCE與集電極電流IC的乘積，即

PC=UCEIC

集電極的功率損耗將引起晶體管發熱，嚴重時可將管子燒毀。在應用中，一定要使晶體管的實際耗散功率小于最大允許耗散功率，即UCEIC＜PCM

PCM與管子的散熱條件有關，改善散熱條件可以使PCM得到顯著的提高。還應該注意的是，大功率管一般都要按規定加裝散熱片，如果不按規定加裝散熱片，盡管耗散功率有時還沒有達到PCM，也可能將大功率管燒毀。

另外，還應說明的是關于“過耗區”的意義：過耗區指晶體管的功率損耗超過PCM的區域。由于允許UCEIC的最大值為PCM，所以這個關系可以在晶體管的輸出特性曲線上表示出來。在圖1.3-10中，虛線右邊的區域即為過耗區。晶體管進入過耗區，實際耗散功率即超過了PCM，從晶體管的使用安全性考慮，這是不允許的。

【例1.3-3】 簡述晶體管的安全工作區域，設某晶體管的極限參數為PCM=150W，ICM=150mA，U（BR）CEO=30V。試問：

（1）若它的工作電壓UCE=10V，則工作電流IC最大不能超過多少？

（2）若它的工作電壓UCE=1V，則工作電流IC最大不能超過多少？

（3）若它的工作電流IC=1mA，則工作電壓UCE最大不能超過多少？

解：PCM、ICM、U（BR）CEO是晶體管的三個極限參數，在使用中均不得超過。否則，管子會因過熱而燒毀，或因IC太大而使放大能力下降，或因過電壓而被擊穿。

（1）因為PCM=UCEIC=150W，當UCE=10V時，IC=15mA＜150mA，則工作電流IC最大值為15mA。

（2）當UCE=1V時，，此時晶體管的β只有正常值的2/3，故工作電流最大值應是IC=100mA，即為此時允許的最大值。

（3）當IC=1mA時，僅從功率的角度考慮，但考慮到參數U（BR）CEO，所以，UCE=30V即為此時允許的最大值。

小結

發射區中摻雜濃度高，基區必須很薄，集電結的面積應很大。

晶體管工作在放大狀態時，必須滿足發射結正向偏置，集電結反向偏置。

晶體管符號中的箭頭“→”表示電流的流動方向。

晶體管的安全工作區如下：

①集電極電流應小于ICM，否則晶體管的放大能力將嚴重下降；

②耗散功率應小于PCM，否則晶體管將因過熱而燒毀；

③集電極—發射極之間的電壓UCE應低于U（BR）CEO，否則晶體管將被擊穿。

練一練3

1.晶體三極管三個電極分別稱為______極、______極和______極，它們分別用字母______、______和______表示。

2.為了使晶體三極管在放大器中正常工作，發射結須加______電壓，集電結須加______電壓。

3.由晶體三極管的輸出特性可知，它可以工作在______、______和______三個區域。

4.晶體三極管是由兩個PN結構成的一種半導體器件，其中一個PN結叫做______，另一個叫做______。

5.晶體三極管有______型和______型兩種，硅管以______型居多，鍺管以______型居多。

6.晶體三極管具有電流放大作用的條件：第一，使______區的多數載流子濃度高，______區的面積大，______區盡可能地薄；第二，使______結正向偏置，______結反向偏置。

7.晶體三極管發射極電流IE、基極電流IB和集電極電流IC之間的關系是______。其中IC/IB叫做______，用字母______表示；ΔIE/ΔIB叫做______，用______字母表示。

8.晶體三極管的電流放大作用，是通過改變______電流來控制______電流的，其實質是以______電流控制電流。

9.當晶體三極管截止時，它的發射結必須是______偏置，集電結必須是______或______偏置。

10.當晶體三極管處于飽和狀態時，它的發射結必定加______電壓，集電結必定加______或______電壓。