1.3 晶体管

半导体三极管也称晶体管或三极管，是由两个背靠背的PN结构成的。它是电子电路的核心元件，其主要功能是具有电流放大作用。

1.3.1 晶体管的结构、外形和分类

1.晶体管的结构

晶体管按其结构分为NPN型与PNP型两种，晶体管的图形符号及结构如图1.3-1所示，图1.3-1（a）所示为NPN型晶体管，图1.3-1（b）所示为PNP型晶体管。

（1）晶体管的符号。

晶体管的文字符号用“V”或“VT”表示。基极用一段横线和字母b表示，发射极用一个箭头和字母e表示（箭头的方向表示发射极电流的方向），集电极用一段斜线和字母c表示。

（2）晶体管的基本结构。

晶体管是由三个电极、三个区和两个PN结组成的。三个区分别叫做集电区、基区、发射区；每个区分别引出一根导线作为电极，分别叫做集电极（c）、基极（b）、发射极（e）；集电区与基区之间的PN结叫做集电结，基区与发射区之间的PN结叫做发射结。

（3）晶体管的结构特点。

①集电区与发射区是由同种半导体材料构成的，基区的半导体材料与集电区、发射区的不同，这样才能构成两个PN结。

②发射区的掺杂浓度远大于集电区，有利于发射区发射载流子和集电区吸收载流子。

③基区的特点是掺杂浓度特别低，而且基区也很薄。这样才能使晶体管具有较大的电流放大作用。

以上是晶体管的内部结构特点，这是使晶体管具有电流放大作用的内部条件，这个内部条件在晶体管制造时就确定了。为了使晶体管具有电流放大作用，还必须满足它的外部条件，即给晶体管加合适的工作电压，这个外部条件是晶体管在使用中必须满足的。

2.晶体管的外形

如图1.3-2所示是常见的晶体管外形图和引脚分布图。

3.晶体管的类型

晶体管的类型按所用半导体材料来分，晶体管有硅管和锗管两种；按导电极性来分，硅管和锗管均有NPN型和PNP型两种；按工作频率来分，有低频管和高频管两种；按功率来分，有小功率管和大功率管两种。

【阅读材料】晶体管的型号命名方法

晶体管的型号命名由五部分构成：第一部分用阿拉伯数字3表示晶体管；第二部分为半导体材料与极性，用汉语拼音字母表示；第三部分为晶体管的类别，用汉语拼音字母表示；第四部分为产品序号，用阿拉伯数字表示；第五部分为晶体管的规格号，用汉语拼音字母表示。晶体管型号命名中的第二部分及第三部分的意义比较复杂，其具体含义见表1.3-1。

表1.3-1 晶体管型号命名中的第二部分与第三部分的意义

例如，3AX31A——PNP型，锗材料，低频小功率晶体管；3DG8C—NPN型，硅材料，高频小功率晶体管。

1.3.2 晶体管的放大作用及其主要特性

1.晶体管具有放大作用的外部条件

为了使晶体管具有放大作用，必须给晶体管加合适的工作电压，这就是使晶体管具有放大作用必须满足的外部条件。

（1）发射结正向偏置。

为了使发射区向基区发射载流子，就必须给晶体管的发射结加正向偏置电压UBE。硅管UBE为0.6～0.7V，锗管UBE为0.2～0.3V。

（2）集电结反向偏置。

为了使从发射区涌入基区的载流子能够穿过集电结进入集电区，必须给晶体管的集电结加反向偏置电压UCB，UCB可为零点几伏至几十伏。

总之，为了使晶体管具有放大作用，必须满足晶体管的外部条件，即发射结正偏，集电结反偏（NPN型晶体管c、b、e三极的电位符合UC＞UB＞UE；PNP型晶体管c、b、e三极的电位符合UC＜UB＜UE）。

2.晶体管的电流分配与放大作用

现在，通过实验来了解晶体管的放大作用和其中的电流分配情况，实验电路如图1.3-3所示。

将晶体管接成两个回路，一条是由电源UBB的正极经过电阻RB、基极、发射极到电源UBB的负极，称为基极回路，也称为偏置电路。另一条是由电源UCC的正极经过RC、集电极、发射极再到UCC的负极，构成集电极回路。各支路中串有电流表，集电极与发射极可接毫安表。若基极电流很小，可采用微安表。

若改变可变电阻的阻值，则基极电流、集电极电流和发射极电流都发生变化，电流方向在图1.3-3中已标出。电流测量结果已填入表1.3-2中。

表1.3-2 晶体管的电流放大作用

由实验及测量结果可得出如下结论：

①晶体管的发射极电流等于集电极电流与基极电流之和，晶体管就像电路的一个结点，流入晶体管的电流等于流出晶体管的电流，即

IE=IC+IB （1.3-1）

②基极电流比集电极电流和发射极电流小得多，通常可认为发射极电流等于集电极电流，即

IE≈IC≫IB （1.3-2）

③晶体管有电流放大作用，从表1.3-2第三列和第四列的数据中可以看到，IC、IB的比值分别为

可见，当改变基极电流时，集电极电流也随着改变，但是集电极电流和基极电流的比却总保持为一个常数，晶体管的这个特性就叫做直流电流放大作用。IC与IB的比叫做晶体管共发射极直流电流放大系数β，用公式表示为

电流放大作用还体现在基极电流IB的微小变化可以引起集电极电流IC的较大变化。比较表1.3-2第三列和第四列的数据，可得出IC、IB的变化比值为

可见，当基极电流有一个较小的变化量ΔIB时，集电极电流就会有一个较大的变化量ΔIC与之对应，并且它们的比值始终保持为一个常数。晶体管的这个特性就叫做晶体管的交流电流放大作用，ΔIC与ΔIB的比叫做晶体管共发射极交流电流放大系数β，用公式表示为

应当注意的是，晶体管的和β有本质的区别，它们分别指晶体管对静态电流和动态电流的放大作用。它们的共同点在于都是通过较小的基极电流去控制较大的集电极电流。低频时二者的数值近似相等。

1.3.3 晶体管的连接方法

晶体管的主要用途是构成放大器。放大器就是把微弱的电信号（电压或电流）放大的一种装置。放大器应该是一个四端网络，它必须有两个输入端和两个输出端，如图1.3-4（a）所示。但是晶体管只有三个电极，如何才能把晶体管接成一个四端网络的放大器呢？常用的方法是：用晶体管的一个极作为输入端，另一个极作为输出端，第三个极作为输入和输出的公共端。放大器的接法命名时，哪个极为公共端，就称为共哪个极的接法。这样，晶体管放大器就有三种接法（或称三种组态），即共发射极接法、共集电极接法和共基极接法，分别如图1.3-4（b）～图1.3-4（d）所示。

1.共发射极接法

共发射极接法就是基极作为输入端，集电极作为输出端，发射极作为公共端，如图1.3-4（b）所示。这种接法的应用最为普遍。

2.共集电极接法

共集电极接法就是基极作为输入端，发射极作为输出端，集电极作为公共端。由于这种电路以发射极作为输出端，所以这种电路又叫做射极输出器，如图1.3-4（c）所示。

3.共基极接法

共基极接法就是发射极作为输入端，集电极作为输出端，基极作为公共端，如图1.3-4（d）所示。

1.3.4 晶体管的特性曲线

同二极管一样，晶体管各极电流电压的关系称为晶体管的伏安特性曲线。由于晶体管有三种连接方法，每种连接形式的电压—电流关系都不一样，因此，这里只讨论最常用的共发射极特性曲线。

晶体管接成共发射极电路时，组成两个回路，如图1.3-3所示，一个是输入回路，即基极和发射极构成的回路。另一个是输出回路，即集电极和发射极构成的回路。描述这两个回路的电压和电流关系，需要两组特性曲线。

1.输入特性曲线

晶体管的输入特性与二极管的正向特性相似，它的两个PN结相互影响，因此，输出电压UCE对输入特性有影响，且UCE＞1时，这两个PN结的输入特性基本重合。用UCE=0和UCE≥1，三条曲线表示，如图1.3-5所示。

2.输出特性曲线

通过图1.3-6所示的输出特性曲线可以看出：

①当UCE从零开始增大时，IC随UCE的增大而迅速增加（曲线OA段）；当UCE≈UBE时，曲线增长减慢；这是因为当UCE＜UBE时，集电结处于正偏状态，收集电子的能力很弱，IC很小；随着UCE的增大，集电结收集电子的能力迅速增强，IC迅速增大，IC受UCE的影响很大。

②当UCE＞UBE时，输出特性曲线基本与UCE轴平行，IC不再随着UCE的增大而增大，基本保持为一个恒定值不变。这是因为UCE＞UBE时，集电结已经反偏，晶体管已进入放大状态，晶体管各极电流分配关系已经确定，IC只受控于IB；在IB保持不变的情况下，输出特性曲线基本与UCE轴平行。

③输出特性曲线簇和三个工作区。在应用中，常把输出特性曲线簇分为三个工作区，即截止区、饱和区和放大区。它们分别对应于晶体管的三种工作状态。晶体管工作在不同的区域时，具有不同的特性。

a.截止区。一般把IB≤0的区域叫做截止区，图1.3-6（b）中，IB=0与UCE轴之间的区域。在这个区域中，相应的IC近似为零，晶体管处于截止状态，即晶体管两个PN结均反偏。但实际上，集电极仍有一个极小的电流，我们把它叫做穿透电流，用ICEO表示。

b.饱和区。各条输出特性曲线的UCE=UBE点左边的区域［如图1.3-6（a）中的A点］叫做饱和区。在饱和区，UCE＜UBE，晶体管的两个PN结都正偏，集电结不具有收集载流子的能力；各IB值所对应的输出特性曲线几乎重合在一起。当UCE升高时，IC随着增大；而当IB变化时，IC却基本不变；所以，晶体管在饱和区失去了电流放大作用。

一般认为，当UCE=UBE，即UCB=0时，晶体管处于临界饱和态；当UCE＜UBE时，晶体管处于深饱和态。通常把晶体管出现饱和时的集电极—发射极电压称为饱和压降，用UCES表示，一般小功率硅管的UCES＜0.4V。

c.放大区。由各条输出特性曲线的平直部分所组成的区域叫做放大区。在放大区，晶体管处于发射结正偏、集电结反偏的放大状态。IC与UCE基本无关，即当UCE变化时，IC基本不变，IC只受控于IB；当IB有一个微小变化量时，IC就有β倍的变化量与之对应，即ΔIC=βΔIB。这一关系充分表现了晶体管的电流放大作用。

在此需要指出的是，截止区、饱和区和放大区都是晶体管的工作区。当晶体管工作在这三个区时，分别处于截止态、饱和态和放大态。

④晶体管的开关特性。晶体管的开关特性如下：

a.饱和态的晶体管相当于一个闭合的开关。当晶体管工作于饱和区时，（硅管）UBES=0.7～0.8V，UCES=0.1～0.3V，IC不受IB的控制，即当IB变化时，IC基本保持不变。此时，晶体管的集电极—发射极之间相当于一个闭合的开关，流过“开关”的电流就是晶体管的饱和电流ICS。

b.截止态的晶体管相当于一个断开的开关。当晶体管工作于截止区时，（硅管）UBE＜0.5V，IB=0，IC≈0。此时，晶体管的集电极—发射极之间如同一个断开的开关，流过“开关”的只有极小的穿透电流ICEO。

1.3.5 输出特性曲线的应用

【例1.3-1】 图1.3-7画出了硅晶体管3DG6的输出特性曲线。

（1）设UCE=5V，分别求IB=20μA、IB=40μA、IB=60μA时的值。

（2）设IB=60μA，分别求UCE=5V，UCE=10V时的β值。

（3）分别求ΔIB=40-20μA，ΔIB=60-40μA，ΔIB=100-80μA时的值（UCE=5V）。

解：（1）IB=20μA时，对应曲线上IC=3.2mA

IB=40μA时，对应曲线上IC=6.2mA

IB=60μA时，对应曲线上IC=8.7mA

（2）IB=60μA，UCE=5V时，题（1）已求出；

UCB=10V时，对应曲线上IC=9.2mA，

（3）ΔIB=40-20=20μA时，对应ΔIC=6.2-3.2=3mA，

ΔIC=60-40=20μA时，对应ΔIB=8.7-6.2=2.5mA，

ΔIC=100-80=20μA时，对应ΔIB=14.5-11.4=3.1mA，

由例题可看出，和β物理意义上和数值上都是不同的，但是在低频时它们的数值相差很小，因此使用中常认为二者相等。还随IC的增大而减小，随UCE的增大而增大。

【例1.3-2】 图1.3-8画出了3DG4在20℃和150℃时的输入、输出特性曲线，试说明温度对晶体管特性曲线的影响。

解：从输入特性曲线看出：

20℃，IB=60μA时，对应曲线上UBE=0.7V；

150℃，IB=60μA时，对应曲线上UBE=0.5V。

说明：在IB相同的条件下，温度升高，UBE减小。

从输出特性曲线看出：

20℃，IB=0.4mA时，UCE=10V，IC=20mA，；

150℃，IB=0.4mA，UCE=10V，IC=29mA，。

说明：温度升高β值也增加，同样会使ICEO值成倍增大。如果实际使用中，不能对晶体管进行有效散热，会使管子造成损坏。

课堂讨论：若把晶体管的集电极当做发射极，而把发射极当做集电极来使用，晶体管有没有放大作用，为什么？

分析：当晶体管的c、e极互换后，只要满足发射结正偏，集电结反偏的条件，晶体管仍然有放大作用。但是放大倍数比正常使用时小很多。这是因为在制造晶体管时，发射区为重掺杂区，其发射载流子的能力强。集电结面积大，提高了集电结的收集能力。当把c、e极互换后，由于集电区载流子浓度低，发射载流子的能力就低。发射区面积小，不能有效地收集载流子，所以同正常使用时相比，对应同样大小IB、IC的值就小得多，如图1.3-9所示。因此实际应用中晶体管的c、e极是不能互换的。

1.3.6 晶体管的主要参数

晶体管的参数是晶体管性能的重要标志。由于制造工艺不同，晶体管的性能往往有很大的差别。在实际应用中，一定要根据电路的要求选择合适的晶体管。晶体管的主要参数有放大特性参数、直流特性参数和极限参数三种。

1.晶体管的放大特性参数

晶体管的放大特性参数是表示晶体管放大能力的重要参数。

（1）共发射极直流电流放大系数。

晶体管工作在放大区时，集电极电流IC与基极电流IB的比叫做晶体管的共发射极直流电流放大系数，用公式表示为

这个参数表示晶体管对直流电流的放大能力。在晶体管手册中，常用HFE表示。

（2）共发射极交流电流放大系数β。

晶体管工作在放大区时，集电极电流的变化量ΔIC与基极电流的变化量ΔIB的比叫做晶体管的交流电流放大系数，用公式表示为

这个参数表示晶体管对交流电流的放大能力。在晶体管手册中，β常用hfe表示。

虽然与β的含义显然不同，但是在输出特性曲线近于平行、等距且ICEO较小的情况下，与β的数值是接近的。今后在对放大电路进行分析时，常用这个近似关系进行估算。

（3）共基极直流电流放大系数。

晶体管工作在放大区时，集电极电流IC与发射极电流IE的比叫做晶体管的共基极直流电流放大系数，用公式表示为

这个参数表示晶体管在共基极接法时的电流放大能力。因为IE≥IC，所以，即在共基极接法时，晶体管不具有电流放大能力。

与β相应的还有α，用来表示在共基极接法时的交流电流放大能力。用公式表示为

2.晶体管的直流特性参数

晶体管的直流特性参数是表示晶体管工作稳定性的重要参数。

（1）集电极—基极反向饱和电流ICBO。

当发射极开路、集电结加有规定的反向电压时，从集电极流向基极的反向电流叫做集电极—基极反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO是由少数载流子形成的电流，它具有很强的热敏性；ICBO越小，晶体管的温度稳定性越好。一般小功率硅晶体管的ICBO＜1μA。

（2）集电极—发射极反向饱和电流ICEO。

当基极开路时，由集电极流向发射极的电流叫做集电极—发射极反向饱和电流，用ICEO表示，ICEO又叫穿透电流。在数值上，ICEO等于ICBO的（）倍，即

ICEO是由少数载流子形成的电流，它不受IB的控制。ICEO具有很强的热敏性，当温度升高时，ICEO增长很快。ICEO越小，晶体管的热稳定性越好。硅晶体管的ICEO很小，一般在1μA以下；锗晶体管的ICEO较大，一般为几十至几百微安。

3.晶体管的极限参数

极限参数是晶体管在使用中为了安全而不得超过的重要参数。

（1）集电极—基极反向击穿电压U（BR）CBO。

它是指当发射极开路时，集电结两端所能承受的最高反向电压。

（2）发射极—基极反向击穿电压U（BR）EBO。

它是指当集电极开路时，发射结两端所能承受的最高反向电压。

（3）集电极—发射极反向击穿电压U（BR）CEO。

它是指当基极开路时，集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压。

（4）集电极最大允许电流ICM。

当晶体管的β值下降到最大值的0.5倍时所对应的集电极电流，叫做集电极最大允许电流，用ICM表示。因为，当集电极电流超过ICM时，晶体管的放大能力将明显下降，所以在实用中，不得使晶体管的集电极电流超过集电极最大允许电流ICM。

（5）集电极最大允许耗散功率PCM。

晶体管工作时，由于集电结所加电压较高，当IC通过集电结时，管芯将发热。根据晶体管工作时允许的最高温度（硅管约为150℃，锗管约为75℃），规定了集电极最大允许耗散功率PCM。

集电极功率损耗PC是指集电极—发射极电压UCE与集电极电流IC的乘积，即

PC=UCEIC

集电极的功率损耗将引起晶体管发热，严重时可将管子烧毁。在应用中，一定要使晶体管的实际耗散功率小于最大允许耗散功率，即UCEIC＜PCM

PCM与管子的散热条件有关，改善散热条件可以使PCM得到显著的提高。还应该注意的是，大功率管一般都要按规定加装散热片，如果不按规定加装散热片，尽管耗散功率有时还没有达到PCM，也可能将大功率管烧毁。

另外，还应说明的是关于“过耗区”的意义：过耗区指晶体管的功率损耗超过PCM的区域。由于允许UCEIC的最大值为PCM，所以这个关系可以在晶体管的输出特性曲线上表示出来。在图1.3-10中，虚线右边的区域即为过耗区。晶体管进入过耗区，实际耗散功率即超过了PCM，从晶体管的使用安全性考虑，这是不允许的。

【例1.3-3】 简述晶体管的安全工作区域，设某晶体管的极限参数为PCM=150W，ICM=150mA，U（BR）CEO=30V。试问：

（1）若它的工作电压UCE=10V，则工作电流IC最大不能超过多少？

（2）若它的工作电压UCE=1V，则工作电流IC最大不能超过多少？

（3）若它的工作电流IC=1mA，则工作电压UCE最大不能超过多少？

解：PCM、ICM、U（BR）CEO是晶体管的三个极限参数，在使用中均不得超过。否则，管子会因过热而烧毁，或因IC太大而使放大能力下降，或因过电压而被击穿。

（1）因为PCM=UCEIC=150W，当UCE=10V时，IC=15mA＜150mA，则工作电流IC最大值为15mA。

（2）当UCE=1V时，，此时晶体管的β只有正常值的2/3，故工作电流最大值应是IC=100mA，即为此时允许的最大值。

（3）当IC=1mA时，仅从功率的角度考虑，但考虑到参数U（BR）CEO，所以，UCE=30V即为此时允许的最大值。

小结

发射区中掺杂浓度高，基区必须很薄，集电结的面积应很大。

晶体管工作在放大状态时，必须满足发射结正向偏置，集电结反向偏置。

晶体管符号中的箭头“→”表示电流的流动方向。

晶体管的安全工作区如下：

①集电极电流应小于ICM，否则晶体管的放大能力将严重下降；

②耗散功率应小于PCM，否则晶体管将因过热而烧毁；

③集电极—发射极之间的电压UCE应低于U（BR）CEO，否则晶体管将被击穿。

练一练3

1.晶体三极管三个电极分别称为______极、______极和______极，它们分别用字母______、______和______表示。

2.为了使晶体三极管在放大器中正常工作，发射结须加______电压，集电结须加______电压。

3.由晶体三极管的输出特性可知，它可以工作在______、______和______三个区域。

4.晶体三极管是由两个PN结构成的一种半导体器件，其中一个PN结叫做______，另一个叫做______。

5.晶体三极管有______型和______型两种，硅管以______型居多，锗管以______型居多。

6.晶体三极管具有电流放大作用的条件：第一，使______区的多数载流子浓度高，______区的面积大，______区尽可能地薄；第二，使______结正向偏置，______结反向偏置。

7.晶体三极管发射极电流IE、基极电流IB和集电极电流IC之间的关系是______。其中IC/IB叫做______，用字母______表示；ΔIE/ΔIB叫做______，用______字母表示。

8.晶体三极管的电流放大作用，是通过改变______电流来控制______电流的，其实质是以______电流控制电流。

9.当晶体三极管截止时，它的发射结必须是______偏置，集电结必须是______或______偏置。

10.当晶体三极管处于饱和状态时，它的发射结必定加______电压，集电结必定加______或______电压。