1.2 半导体三极管

1.2.1 半导体三极管的结构和符号

常见半导体三极管的外形及引脚排列，如图1-5所示。

半导体三极管简称为三极管或晶体管，它是应用在电子电路中的很普遍的一种半导体器件。三极管的基本结构是在一块半导体基片上，用一定的工艺方法形成两个PN结和三个导电区，如图1-6所示。如果两边是N区中间为P区，就称为NPN型三极管；如果两边是P区而中间是N区，就称为PNP型三极管。三极管有三个导电区，从中分别引出三个电极。中间的一个导电区称为基区，由此引出的电极为基极B（Base）。两边分别是发射区及集电区，分别引出的电极为发射极E（Emitter）和集电极C（Collector）。发射区用来发射载流子，集电区用来收集载流子。三极管的图形及符号分别如图1-6（b）和图1-6（d）所示，其中发射极箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向，因此从它的方向即能判断管子是NPN型还是PNP型。

NPN型和PNP型两种类型的三极管，按其所选用的本征半导体材料的不同，有硅管和锗管之分。

1.2.2 三极管的电流放大作用

为了实现电流放大作用，半导体三极管除了内部结构上的特点之外，还必须具备合适的外部条件，既要给三极管的发射结加正向电压，又要给集电结加反向电压。以NPN型管为例，如图1-7所示，图中VCC＞VBB，基极电源VBB的极性应保证使发射结处于正向偏置；而集电极电源VCC的极性应保证集电结处于反向偏置。其中三个电极的电位关系是VC＞VB＞VE。如果是PNP型管，就应将基极电源VBB和集电极电源VCC的极性均反过来，这时IB，IC，IE的方向也反过来了，三个电极的电位关系为VC＜VB＜VE。

在图1-7所示电路中，IB所经过的回路称为输入电路，IC所经过的回路称为输出电路，两个电路的公共端是三极管的发射极E，所以上述电路称为共发射极（Common Emitter）电路，简称共射电路。此外还有共基极（Common Base）电路，简称共基电路，以及共集电极（Common Collector）电路，简称共集电路。

演示实验：

测量IB，IC，IE并研究它们之间的相互关系。

演示电路如图1-7所示，改变RB可以改变基极电流IB，而且集电极电流IC与发射极电流IE也随之变化。测量结果如表1.1所示。从这些实验数据，我们可以得到以下结论。

（1）IB，IC，IE 三个电流符合基尔霍夫电流定律。

由于IB很小，所以IC和IE 相差很小，即IC≈IE。

（2）IC与IB的关系。对一个确定的三极管而言，IC与IB的比值基本不变，该比值称为共发射极直流电流放大系数（Current Amplification Factor）。

（3）基极电流的微小变化（ΔIB）能引起集电极电流的较大变化（ΔIC），ΔIC和 ΔIB之比称为共发射极交流电流放大系数，记做β。

从表1-1实验数据中可见，测量时由于每次三极管的工作电流大小不同，而三次测量的β （或）也有一定的差异，这说明β（或）与三极管的工作电流大小有关。

（4）基极开路时（IB=0），IC不为零。这时的IC值称为穿透电流，记作ICEO。ICEO很小，锗管为mA级，而硅管为μA级。因为ICEO是IB=0时的IC值，所以ICEO不受IB的控制。

（5）β和的区别和联系。因为当IB=0时，IC=ICEO；而当基极电流由0增至IB时，集电极电流也相应地由ICEO增至IC，故有

于是可得出

式（1-4）表明了IC和IB的关系，因为ICEO很小，所以IC≈βIB或β≈，故在工程上对β和不作严格区分，估算时可以通用。

根据以上分析可知，IE是由IC和IB组成的，所谓电流放大并非大电流IC是由小电流IB放大而来的，而是大电流IC受小电流IB控制。以小控大，使IC随IB的变化而变化的过程，就是三极管电流放大作用的实质。

课堂练习：

某三极管的电流分配关系数据如表1.1所示，求IB=0.02mA时的β和。

1.2.3 半导体三极管特性曲线

由于共发射极电路在电子电路中应用最为广泛，所以下面仍以NPN型硅管为例，分析讨论三极管共发射极接法时的特性曲线。

1. 输入特性（Input Characteristics）

输入特性曲线是指当VCE一定时，IB与VBE之间的关系曲线，即

IB=f（VBE）|VCE=常数

演示实验：

用晶体管特性图示仪测量三极管的输入特性曲线。

实验结果如图1-8所示。由图可见，三极管的输入特性是非线性的，与二极管正向特性相似，也有一段死区电压（硅管约为0.5V，锗管约为0.2V）。当三极管正常工作时，发射结压降变化不大，该压降称为导通电压（硅管约为0.6～0.7V，锗管约为0.2～0.3V）。由实验还可知，当VCE增大时输入特性曲线会向右平移，但VCE> 2V后，该曲线基本不再向右平移而趋于重合。

2. 输出特性（Out-put Characteristics）

输出特性曲线是指当IB一定时，IC与VCE之间的关系曲线，即

IC=f（VCE）|IB=常数

演示实验：

用晶体管特性图示仪测量三极管的输出特性曲线。

实验结果如图1-9所示。由图可见，三极管的输出特性中，对应于每一个IB值，就有一条特性曲线与之对应，所以三极管的输出特性是一组曲线，它可分为放大区（Active Region）、饱和区（Saturation Region）和截止区（Cut-off Region）三个工作区域，如图1-10所示。它们分别与三极管的三种工作状态：放大状态、饱和状态、截止状态相对应。

（1）放大区。三极管处于放大状态的条件是：发射结正向偏置和集电结反向偏置。放大区就是在输出特性曲线上IB＞0和VCE＞1V的部分，即曲线平坦区域，如图1-10所示。可见当IB不变时IC基本不变，即具有恒流特性；IB改变，IC随之改变，表明IC受IB控制，具有电流放大作用。

（2）饱和区。如果发射结正向偏置且集电结也是正向偏置，则三极管处于饱和状态。饱和区也就是在输出特性曲线上，IC随VCE的增大而增大的区域，如图1-10所示，此时IC≈βIB的关系不成立。饱和时集电极电流IC不再随IB的变化而变化，此时的IC记作ICS，称为集电极饱和电流。集电极饱和电流ICS主要由外电路决定：

三极管饱和时其管压降VCE称为饱和压降VCES，VCES很小，一般小功率的硅管约0.3V，锗管约0.1V，此时三极管相当于开关的接通。

（3）截止区。发射结反向偏置时，因发射结两端电压小于死区电压，由三极管的输入特性曲线可知IB≈0。由三极管的输出特性曲线可知，IB=0时，IC=ICEO≈0，三极管处于截止状态，截止区是在输出特性曲线中IB=0以下的区域，如图1-10所示，此时VCE近似等于集电极电源电压VCC，三极管相当于开关的断开。

NPN型小功率三极管在三种工作状态时各极电压的典型数据如表1.2所示。

综上所述，三极管使用时通常有两种不同的方式：第一种是三极管工作在放大状态，利用IB对IC的控制作用，这是三极管在模拟电子技术中的应用；第二种是三极管工作在开关状态，利用三极管在饱和与截止两个状态之间转换，使三极管相当于一个受控开关，这是三极管在脉冲数字电子技术中的应用。

课堂练习：

试判断图1-11所示的各三极管工作在什么状态？并说明各三极管的管型。

1.2.4 三极管的主要参数

1．共发射极直流电流放大系数和交流电流放大系数β

表示三极管工作点附近集电极电流与相应的基极电流之比，还可从三极管的输出特性曲线上求得。

β值表示三极管工作点附近集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比，β值也可以从三极管的输出特性曲线上求得。

课堂练习：

三极管的输出特性曲线如图1-10所示，试求在VCE=6V处的β和的值。

2. 集电极发射极穿透电流ICEO

由于ICEO不受IB控制，而且ICEO对温度变化比较敏感，所以希望ICEO越小越好，以免影响放大电路的稳定性。由于硅管的ICEO远小于锗管，因此人们在多数情况下选用硅管。

3. 极限参数

极限参数是指在三极管正常工作时，所允许的最大电流、电压和功率等极限参数，它关系到三极管的安全使用问题。

（1）集电极最大允许电流ICM。工作时IC若超过ICM，三极管的β值将明显下降，β值低于额定值的2/3后，三极管的特性将变差。

（2）集电极发射极反向击穿电压V（BR）CEO。工作时，VCE应小于此值，以免击穿。另外温度升高将使V（BR）CEO降低，因此应留有一定余量。

（3）集电极最大耗散功率PCM。使用中应特别注意ICM和VCE，绝不能同时达到或超过规定的ICM和V（BR）CEO，否则它们的乘积将超过PCM很多，使三极管过热而损坏。

在输出特性曲线上，三极管IC不能超过ICM，电压VCE不能超过V(BR）CEO，且IC和VCE的乘积不能超过PCM，所以三极管只能工作在如图1-12所示的安全工作区。

半导体器件的主要缺点是热稳定性较差，三极管的各种参数几乎都受温度变化的影响。比如，温度上升，β和ICEO都将增大，使三极管输出特性曲线中曲线与曲线之间的间隔变宽，并且使整个输出特性曲线向上移。也就是说，在相同的IB情况下，IC随温度升高而增大。

课堂练习：

某三极管的输出特性如图1-12所示，试求出三极管的β，V（BR）CEO和ICM，ICEO等参数。

自我检查题

1. 当半导体三极管的_____结正向偏置、_____结反向偏置时，三极管具有_____作用，即_____能控制 。

2. 试判断图1-13所示的各三极管工作在何种状态？

3. 测得某三极管IB=10μA时，有IC=1.1mA；IB=20μA时，有IC=2.2mA，试求此三极管的β为多少？另求当IB=30μA时，IC为多少？