1.7 半導體三極管

1.7.1 半導體三極管的類型

晶體管有兩個 PN 結，即發射結和集電結；三個電極，即發射極E、基極B、集電極C。按PN 結的構成材料不同，分NPN和PNP 兩種類型。常見晶體管的結構和電路圖形符號如圖1-18所示。

1.7.2 晶體管的放大原理

下面通過一個實驗來了解晶體管的放大作用和其中的電流分配。實驗電路如圖1-19所示。將晶體管接成兩個回路：一個回路經過電阻RB（通常為幾百千歐的可調電阻）、電源UCC的負極，稱為基極回路，也稱為偏置電路；另一個回路是由電源UCC的正極經過電阻RC、集電極、發射極再到電源UCC的負極，構成集電極回路。各回路中均串有電流表，集電極與發射極可接毫安表，基極電流很小，可采用微安表。

改變可變電阻RB的阻值，則基極電流IB、集電極電流IC和發射極電流IE都發生變化。電流方向如圖1-19所示，測量結果見表1-2。

由實驗及測量結果可得出如下結論：

① 基極電流IB與集電極電流IC之和等于發射極電流IE，即

② 基極電流IB比集電極電流IC和發射極電流IE小得多，通常可認為發射極電流約等于集電極電流，即

IE≈IC?IB

③ 晶體管有電流放大作用，從表1-2第三列的數據中可以看到，IC與IB的比值為

IC/IB=1.5/0.04=37.5

從而可以看出，電流的放大作用體現在基極電流的微小變化引起集電極電流IC的較大變化，這就是放大作用。通常用電流放大系數β=IC/IB來表示。

綜上所述可以得出，放大器就是將微弱信號放大的電子裝置，叫做放大器或放大電路。它由電子器件（晶體管）、電路元件（電阻、電容等）和電源組成。

放大電路的作用是把微弱的信號加以放大，在輸出端輸出一個與輸入信號一致而幅度增大的信號。

信號放大的實質是用一個小的變化量去控制一個較大的量的變化，使變化量得到放大。常用的簡單放大電路是利用晶體管的電流控制作用實現對微弱信號的放大。

放大電路在廣播、通信、測量和自動控制中有廣泛的應用。例如，收音機、電視機從天線上收到的電信號是很微弱的，必須經過放大電路加以放大才能推動揚聲器和顯像管工作；在控制機床上，要將反映加工要求的控制信號加以放大；在自動化測量上，通常將溫度、壓力等待測量的變化通過傳感器變換為微弱的電信號，經過放大以后進行處理。

1.7.3 晶體管的輸入特性

輸入特性曲線是指當集-射極電壓UCE為常數時，輸入電路（基極電路）中基極電流IB與基-射極電壓UBE之間的關系曲線IB=f（UBE），如圖1-20所示。

對硅管而言，當UCE≥1V時，集電結已反向偏置，并且內電場已足夠大，而基區又很薄，可以把從發射區擴散到基區電子中的絕大部分拉入集電區。如果此時再增大UCE，則只要 UBE保持不變（從發射區發射到基區的電子數不變），IB也就不再明顯地減小。就是說，UCE>1V后的輸入特性曲線基本上是重合的。所以，通常只畫出UCE≥1V的一條輸入特性曲線。

由圖1-20可見，與二極管的伏安特性一樣，晶體管輸入特性也有一段死區。只有在發射結外加電壓大于死區電壓時，晶體管才會出現IB。硅管的死區電壓約為0.5V，鍺管的死區電壓約為0.1V。在正常工作情況下，NPN型硅管的發射結電壓UBE=0.6～0.7V，PNP型鍺管的UBE=-0.2～-0.3V。

1.7.4 晶體管的輸出特性

輸出特性曲線是指當基極電流IB為常數時，輸出電路中集電極電流IC與UCE之間的關系曲線。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一組曲線，如圖1-21所示。

當IB一定時，從發射區擴散到基區的電子數大致是一定的。在UCE超過一定數值（約為1V）后，這些電子的絕大部分被拉入集電區而形成IC，以致當UCE繼續增高時，IC也不再有明顯的增加，具有恒流性。

當IB增大時，相應的IC也增大，曲線上移，而且IC比IB增加得多得多，這就是晶體管的電流放大作用。

通常把晶體管的輸出特性曲線分為三個區。

（1）截止區

IB=0的特性曲線以下與橫坐標之間的區域叫做截止區。在這個區域內，IB=0，IC很小，IC=ICEO（ICEO被稱為穿透電流）。對于NPN型硅管，當UBE=0時，即已開始截止，但是為了截止可靠，常使UBE<0，即使發射結處于反向偏置。截止時，集電結也處于反向偏置，晶體管工作于截止狀態。

（2）放大區

輸出特性曲線的近于水平部分是放大區。當發射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置時，對于NPN型管子來說，就是UBE>0.6V（硅管）或UBE>0.2V（鍺管），UCE>1V時，晶體管工作于放大狀態。放大區也稱線性區。在此區，IC幾乎與UCE無關，只受 IB的控制，很小的ΔIB就可以引起較大的ΔIC。

（3）飽和區

當UCE<UBE時，集電結和發射結都處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態。在飽和區，IB的變化對IC的影響較小，晶體管失去電流的放大作用。在數字電路中，晶體管常用做開關器件。這時，晶體管就工作在截止區和飽和區。

1.7.5 晶體管的主要參數

（1）電流放大系數、β

電流放大系數是指輸出電流與輸入電流的比值，是用來衡量晶體管電流放大能力的參數。最常用的是共發射極電路的電流放大系數。由于工作狀態的不同，在直流和交流兩種情況下，也各有不同的電流放大系數。

共發射極直流電流放大系數是指集電極電流IC與基極電流IB的比值，用表示，即

共發射極交流電流放大系數是指集電極電流的變化量與基極電流的變化量之比，用β表示，即

在放大區中，≈β。因此，在以后的估算中就不做嚴格的區分了。

常用小功率晶體管的β值在20～150之間，而且β值與IC有關。IC不同，β值也不同。IC接近于零（截止）或接近于飽和值時，β值都很小。而在放大區中，IC在適當范圍內，β值相差不大，估算時可認為不變。

引入β后，晶體管三個電流的關系為

（2）集-基反向截止電流ICBO

ICBO是當發射極開路時，集電結處于反向偏置，集電區和基區中少數載流子的漂移運動所形成的電流。ICBO受溫度的影響大。在室溫下，小功率鍺管的ICBO為幾微安到幾十微安，小功率硅管的ICBO在1μA以下。在實際應用中，ICBO越小越好。

（3）集電極-發射極反向截止電流ICEO

ICEO是基極開路、集電結反偏（對NPN型管，集電極接電源正極，發射極接電源負極）時的集電極電流。由于這個電流似乎是從集電區穿過基區流至發射區，所以也稱穿透電流，具有很強的熱敏性，當溫度升高時，ICEO增長很快。所以ICEO越小，晶體管的熱穩定性越好。

（4）集電極最大允許電流ICM

集電極電流過大時會引起β下降，當β值下降到正常值的2/3時的集電極電流，稱為集電極最大允許電流。作為放大管使用時，IC不宜超過ICM，超過時可引起β值下降，輸出信號失真，過大時也會燒壞管子。

（5）集電極-發射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

基極開路時，加在集電極和發射極之間的最大允許電壓，稱為集電極-發射極反向擊穿電壓。當晶體管的集電極-發射極電壓大于此值時，ICEO大幅度上升，說明晶體管已被擊穿。電子器件上給出的一般是常溫（25℃）時的值。在高溫下，其反向擊穿電壓將要降低，使用時應特別注意。

（6）集電極最大允許耗散功率PCM

由于集電極電流在流經集電結時要產生功率損耗，使結溫升高，從而引起晶體管參數變化。當晶體管因受熱而引起的變化不超過允許值時，集電結所消耗的最大功率稱為集電極最大允許耗散功率PCM（PCM =UCMIC）。