1.3 晶体管及其直流电路
双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）因其有自由电子和空穴两种极性的载流子参与导电而得名，又称晶体管、半导体晶体管等，以下简称晶体管。
1.3.1 晶体管的符号和工作原理
1.晶体管的结构和符号
根据结构不同，晶体管可分成NPN型和PNP型两种结构，其结构示意图和符号分别见图1-19a和图1-19b所示。晶体管内部包含三个区：发射区（Emitter）、基区（Base）和集电区（Collector），相应的引出三个电极：发射极（e）、基极（b）和集电极（c），同时内部有两个PN结：发射结（发射区与基区之间的PN结）和集电结（基区与集电区之间的PN结）。
图1-19 晶体管的结构示意图和符号
a）NPN型 b）PNP型
图1-19中晶体管符号的区别是发射极的箭头方向不同，箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。NPN型的箭头指向表示发射极电流IE是流出晶体管，而基极电流IB、集电极电流IC是流入管子；PNP型则与之相反。无论哪种晶体管，根据基尔霍夫电流方程，均有
2.晶体管的偏置方式
晶体管在电子电路中工作时，根据发射结和集电结的偏置方式，其工作状态常分为放大、饱和截止状态，见表1-2。
表1-2 晶体管的三种偏置方式
除了这三种情况外，若发射结反向偏置、集电结正向偏置，晶体管会反向运行。由于晶体管内部结构不对称，集电极和发射极的作用不能互换，在工程应用中应避免这样使用。
3.晶体管的电流放大原理
在模拟电子电路中，晶体管常作为放大器件使用。为了实现电流控制和放大作用，晶体管在制作时具有如下特点：①发射结为不对称结，且发射区的掺杂浓度远大于基区（几十甚至上百倍）；②基区宽度很薄，掺杂浓度低；③集电结面积大于发射结面积，这是保证晶体管能够实现放大作用的内部结构条件。
除此之外，还必须有实现放大的外部条件，即保证发射结正向偏置、集电结反向偏置。下面以NPN管为例，利用简化框图，说明放大状态下晶体管内部载流子的传输过程及电流分配，如图1-20所示。
电源UBB使得发射结正向偏置，发射区的自由电子大量扩散到基区，形成发射区扩散电流IEN，IEN约等于外部发射极电流IE。扩散过程中，有一部分自由电子与基区的空穴复合，形成基区复合电流IBN，基区被复合掉的空穴由UBB源源不断地补充。由于UCC的数值大于UBB，集电结反偏，可将上述穿过基区到达集电结边界的自由电子充分收集，形成集电区漂移电流ICN；同时，基区和集电区产生的少子也进行漂移运动，形成反向饱和电流ICBO，ICBO数值很小，在近似分析中可忽略不计。
图1-20 晶体管内部载流子传输及电流分配
如上所述，在放大状态下，从发射区扩散到基区的自由电子只有很小一部分复合，绝大部分到达集电区。ICN和IBN的关系用
表示，即
式中，
称为共射直流电流放大系数，它是晶体管的一个重要参数，对于一个给定的晶体管，通常将
值视为恒定。进一步整理可得
忽略ICBO时
可见，只要能控制基极小电流IB，就可实现对集电极大电流IC的控制。所谓晶体管的电流放大作用，就是指这种对电流的控制能力，故常把晶体管称为电流控制器件。
放大状态下，晶体管的电流关系可表述为
【例1-9】 测得某电路中若干晶体管的各个电极电位如图1-21所示，试判断各晶体管分别处于何种工作状态（饱和、放大、截止或已损坏）。
图1-21 例1-9
解：（a）为NPN管，UBE=0.7 V（硅管）且UB＞UC，说明发射结导通，集电结正向偏置，故晶体管工作在饱和区。
（b）为NPN管，UBE=3 V远大于发射结导通电压，说明发射结已断路，晶体管损坏。
（c）为PNP管，UEB=0.3 V（锗管），UC＜UB，说明发射结导通，集电结反偏，故晶体管工作在放大区。
（d）为PNP管，UEB=0.3 V（锗管）且UC=UB，说明发射结导通，集电结零偏，因此晶体管处于临界饱和（临界放大）状态。
【例1-10】 测得放大状态下晶体管各个电极的对地静态电位如图1-22所示，试判断各晶体管的类型（NPN型、PNP型、硅管、锗管），并注明电极e、b、c的位置。
图1-22 例1-10的晶体管电位
解：晶体管处于放大状态时，发射结正偏、集电结反偏，那么NPN型晶体管三个电极电位的关系是UC＞UB＞UE；对于PNP型晶体管，则有UE＞UB＞UC。可见，无论哪种管型，在放大状态下，电位居中的电极都是基极；确定基极后，若某个电极与基极之间的电位差值约为0.7V或0.3V，说明该电极为发射极，0.7V为硅管，0.3V为锗管；最后剩下的电极必为集电极，若该电极的电位最高，说明为NPN管，反之为PNP管。
a）为NPN型硅管，从左起依次为e、b、c。
b）为PNP型硅管，从左起依次为c、b、e。
c）为PNP型锗管，从左起依次为c、e、b。
1.3.2 晶体管的伏安特性和主要参数
晶体管的伏安特性曲线是指各极间电压与电流之间的关系曲线。掌握晶体管的伏安特性是进行晶体管电路分析的基础。晶体管有三个电极，其伏安特性分为输入特性和输出特性曲线。测试电路如图1-23所示，其中基极-发射极回路称为输入回路，集电极-发射极回路称为输出回路，发射极是输入、输出回路的公共电极，所以称该电路为共发射极连接，又称共射组态。下面以NPN型晶体管为例，讨论共发射极连接的特性曲线。
图1-23 晶体管共发射极测试电路
1.输入特性曲线
晶体管的输入特性是指在管压降uCE一定的情况下，基极电流iB与发射结电压uBE之间的函数关系，即
大小不同的uCE有不同的输入特性，输入特性曲线为一簇曲线，如图1-24所示。当uCE=0时，发射结和集电结实际上为并联连接，因此晶体管输入特性与二极管的正向特性类似，只要发射结正向电压降uBE大于导通电压Uon，基极电流iB就近似按指数规律明显增大，晶体管导通。管压降uCE增大时，输入特性曲线右移；当uCE＞1 V后，输入特性曲线几乎重合，通常用uCE=1 V的输入特性曲线来代替uCE＞1V后的所有输入曲线。测试表明，硅晶体管一旦导通后，即使iB在一个比较大的范围内变化，uBE也只在0.7 V左右有微小变化，可认为硅晶体管导通电压降约为0.7 V。锗晶体管的发射结正向导通电压降则在0.3 V左右。
2.输出特性曲线
晶体管的输出特性是指在基极电流iB一定的情况下，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系，即
对应于不同的iB，有不同的输出特性曲线，因此输出特性是一簇曲线，如图1-25所示。对应晶体管的工作状态，输出特性曲线可分为三个不同的区域，即饱和区、放大区和截止区。
图1-24 晶体管输入特性曲线
图1-25 晶体管输入特性曲线
（1）饱和区
输出特性曲线靠近纵轴附近的区域，称为饱和区。此时晶体管处于饱和状态，晶体管的两个PN结均为正向偏置。集电结正向偏置，对电子的收集作用减弱，导致电子在基区和集电区的边界堆积，基极复合电流增加，
，uCE≈UCES（饱和管压降）。一旦管压降UCE稍有增加，集电结收集电子的能力就明显增强，电流iC受uCE的影响较大，各条输出特性曲线很陡，几乎重叠在一起。
当uCE=uBE时，称晶体管处于临界状态（临界饱和或临界放大），对应点的轨迹为临界饱和线，如图1-25虚线所示。此时基极电流称为晶体管的基极临界饱和电流IBS，集电极电流称为晶体管的集电极临界饱和电流ICS，仍有
。通常，小功率锗管饱和管压降UCES约为0.1 V，小功率硅管饱和管压降UCES约为0.3 V，所以晶体管工作在饱和区时，集电极和发射极之间是低阻态，相当于开关闭合。
（2）放大区
输出特性曲线上临界线以右的平坦区域称为放大区，此时晶体管处于放大状态。发射结正向偏置且uBE≥Uon，集电结反向偏置。从输出特性曲线上来看，晶体管工作在放大区时，集电极电流iC的大小基本取决于基极电流iB，只要iB不变，iC就基本恒定，输出特性曲线平坦，而与uCE无关，表现出iB对iC的控制作用，即
，故该区域又称为线性区。
（3）截止区
iB=0以下的区域称为截止区，此时晶体管工作在截止状态，晶体管的两个PN结均为反向偏置。在截止区，基极电流为零，其他两个电极电流也近似为零。基极开路时（iB=0），在UCC作用下晶体管的集电极和发射极之间有一个很小的穿透电流ICEO，近似分析时可忽略。
半导体中的载流子浓度与温度有关，因此晶体管的特性曲线会受到温度的影响。温度升高时，晶体管的输入特性向左移动，反之右移；UBE具有负温度系数，约为-2 mV/℃。当温度升高时，
、ICBO增大，温度每升高1℃、
值增大0.5%～1%，温度每升高10℃、ICBO增大1倍，因此温度升高时，输出特性曲线整体上移、输出特性间距增大。
注意：以上介绍的是NPN型晶体管共射接法下的特性曲线，如果是PNP型晶体管，其电压极性和电流方向都与NPN型晶体管相反。
3.晶体管的主要参数
晶体管的参数用来表征其性能优劣，是合理选择和正确使用晶体管的依据，了解这些参数的意义是十分必要。
（1）电流放大系数
和β
称为共射直流电流放大系数。当忽略穿透电流ICEO时，
近似等于集电极电流与基极电流的直流量之比。小功率晶体管的
较大，有的可达三四百倍；大功率管的
较小，有的甚至只有三四十倍。当晶体管工作在交流时，晶体管的基极电流的变化量为ΔiB，引起的集电极电流的变化量ΔiC，ΔiC与ΔiB之比称为共射交流电流放大系数，记作β，即
和β的含义不同，但在输出特性近似平行、等距且ICEO较小的情况下，两者数值相当接近。所以在近似分析时，常用
（2）极间反向电流
集电极-基极反向饱和电流ICBO，是指发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。在一定温度下，这个反向电流基本上是常数，所以称为反向饱和电流。由于ICBO是少数载流子的运动形成的，所以对温度非常敏感。小功率锗晶体管的ICBO约为10μA，小功率硅晶体管的ICBO小于1μA，近似分析时ICBO一般可忽略不计。
集电极-发射极穿透电流ICEO，是指基极开路时，集电极与发射极之间的穿透电流。ICEO与ICBO的关系为
β越大，ICEO越大，ICEO随温度的变化更为敏感。选择晶体管时，应选用ICEO小的。
（3）极限参数
极限参数是指晶体管在使用过程中不允许超过的工作界限，当超过此界限时，晶体管的性能下降，甚至损坏。常见的极限参数有集电极最大允许电流ICM、集电极最大耗散功率PCM、极间反向击穿电压等。
集电极电流iC的数值大到一定程度时，β将减小。使β下降三分之一的iC即为集电极最大允许电流ICM。当iC＞ICM时，晶体管不一定损坏，但β明显下降。
集电极耗散功率会使晶体管温度升高，当管温超过某一数值后，晶体管特性明显变坏，甚至被烧毁。为此，晶体管集电极耗散功率不得超过最大耗散功率PCM。对于确定型号的晶体管，PCM是一个确定值。
晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许施加的最高反向电压称为极间反向击穿电压，超过此值时晶体管会发生击穿现象。极间反向击穿电压主要有：发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压U（BR）CBO；基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压U（BR）CEO；集电极开路时，发射极-基极间的反向击穿电压U（BR）EBO。
1.3.3 晶体管直流电路分析
由晶体管的伏安特性曲线可知，晶体管是一种复杂的非线性器件。直流工作时，其非线性主要表现为三种截然不同的工作状态，即放大、截止和饱和。实际应用中，根据实现功能的不同，可通过外电路将晶体管偏置在某一规定状态。因此，在晶体管应用电路分析中，首要问题便是晶体管工作状态分析和直流电路计算。
1.晶体管的工作状态分析
（1）偏置电压判定法
根据晶体管发射结和集电结的偏置情况，就可判断出晶体管的工作区域，见表1-2。当发射结正偏并且|uBE|≥|Uon|、集电结反偏，晶体管工作于放大区，对于NPN管来说，三个电极的电位满足UC＞UB＞UE且UB-UE＞Uon；对于PNP管来说，三个电极的电位满足UC＜UB＜UE，且UE-UB＞Uon）。
（2）电流关系判定法
判断晶体管工作状态时，一般先求出集电极临界饱和电流ICS，再求出基极临界饱和电流IBS，估算出电路中基极电流IB后，根据下列方法判定：若IB=0，则晶体管工作于截止状态；若0＜IB＜IBS，说明IC尚未达到ICS，还有随IB的增加而增加的潜力，则三极管工作于放大状态；若IB＞IBS，说明IC已趋于恒流，不能再随IB的增加而增加，则管子工作在饱和状态。当IB=IBS时，晶体管处于临界饱和。
分析电路时，往往将两种方法结合起来使用，先利用“偏置电压判定法”判断管子是否处于截止区，再利用“电流关系判定法”判断管子处于放大区还是饱和区。
【例1-11】 电路如图1-26所示，设晶体管的β=80，UBE=0.6V，ICEO、UCES可忽略不计，开关处于不同位置时，晶体管各工作在哪个区域？求出相应的集电极电流IC。
解：图1-26所示晶体管电路中，电源采用电子电路常用画法，只标出电源电压+UCC对“地”的大小和极性。所谓“地”是指电路的参考电位点，电路中电位都是对“地”而言。
图1-26 例1-11的电路
本例利用电流关系判定法。若晶体管工作在饱和区时，晶体管临界饱和集电极ICS=12/4=3 mA，基极临界饱和电流，IBS=ICS/β=0.0375 mA。
1）当开关S接通A位置时，IB=（12-0.6）/40 mA=0.285 mA＞IBS，所以晶体管工作于饱和区，IC=ICS=3 mA。
2）当开关S接通B位置时，IB=（12-0.6）/500 mA=0.0228 mA＜IBS，所以晶体管工作于放大区，IC=βIB=80×0.0228 mA=1.824 mA。
3）当开关S接通C位置时，因为发射结零偏，晶体管工作于截止区，IC≈0。
2.晶体管放大电路直流分析
仅有直流电源作用时，晶体管放大电路处于直流工作状态或静止状态，简称静态。对电路进行直流特性分析（静态分析），得到放大电路的直流参数，包括基极电流IBQ、发射结电压降UBEQ、集电极电流ICQ和管压降UCEQ。这些直流电压和电流在输入、输出特性曲线上对应一点，称为静态工作点，简称Q点。
晶体管直流电路如图1-27a所示，只要适当选择元器件参数的值，就可将晶体管偏置在放大区，根据基极回路可求得静态基极电流为
式中的UBEQ在近似估算中，通常作为已知量，硅管约取0.7 V，锗管约取0.3 V。电源UCC一般在几伏至几十伏的范围内，若UCC＞＞UBEQ，可近似有
可见，电路的偏置电流IB Q由UCC和RB的大小决定，若UCC和RB的值确定，则IB Q固定，所以这种电路称为固定偏置电路。
晶体管处于放大状态时，则集电极电流为
根据图1-27a中的集电极回路可得管压降
式（1-27）称为输出回路的直流负载线方程，它描述了管压降UCE和电流IC之间的关系。在输出特性曲线上，横轴取UCC，纵轴取UCC/RC，两点相连得到直流负载线，它和IB=IBQ那条输出特性曲线的交点就是静态工作点Q点（UCEQ，ICQ），如图1-27b所示。
直流负载线分为三个部分，分别对应晶体管的三个工作区域，即A点以下为截止区，B点以上为饱和区，A点和B点之间为放大区。若Q点沿着直流负载线上移，IC将逐渐增大而UCE逐渐减小，集电结逐渐由反向偏置转为正向偏置，晶体管将从放大区进入饱和区。B点处，集电结零偏，UC=UB，UCE=UBE≈Uon，此时B点处对应的直流电压和电流称为临界饱和管压降UCE S、临界饱和集电极电流IC S、临界饱和基极电流IBS。所以晶体管工作区域的偏置电压判定法可以进一步理解为：
1）比较UBE与Uon大小。若UBE＞Uon，说明IB＞0，IC＞0，工作点位于A点以上，晶体管导通；若UBE＜Uon，说明IB=0，IC≈0，工作点位于A点以下，晶体管截止。
2）若晶体管导通，比较UCE与UCES（UBE）的大小：若UCE＞UCES，工作点位于A、B之间，晶体管工作在放大区；若UCE＜UCES，工作点位于B点以上，晶体管工作在饱和区。
图1-27 固定偏置电路
a）固定偏流电路 b）直流负载线与静态工作点
【例1-12】 在图1-27a中，已知晶体管参数β=60，UBEQ=0.7 V，UCES=0.4 V，电路中的其他参数UCC=20 V，RB=500 kΩ，RC=6 kΩ，求该放大电路各极的电压和电流。
解：
1.3.4 晶体管的开关作用
在各种电子线路中，晶体管得到广泛的应用。在一般模拟电子线路中，晶体管常常当作放大器件来使用；而在脉冲与数字电路中，晶体管常常作为开关器件来使用。用于开关电路的晶体管，通常工作在截止区或饱和区，输入信号只有两种确定的取值低电平或高电平。由晶体管的输入特性可知，当晶体管输入信号UI为低电平时，UBE＜Uon，晶体管工作在截止状态，晶体管c-e之间断路；当UI为高电平时，UBE＞Uon，晶体管工作在饱和状态，晶体管c-e之间近似短路。可见，晶体管c-e间相当于一个受UI控制的开关，晶体管截止相当于开关断开，开关电路输出高电平；晶体管饱和导通相当于开关接通，开关电路输出低电平。
1.LED驱动电路
用作指示灯的普通LED被点亮时的电流一般在10 mA以上，常用的数字集成电路输出端驱动能力往往不足，此时通常用晶体管进行电流放大，实现LED驱动。
【例1-13】 晶体管驱动LED电路如图1-28所示，UCC=10 V，RC=500Ω，RB=10 kΩ。输入信号UI是数字信号，低电平为0.3 V，高电平为5 V。晶体管β=50，UBE=0.7 V，UCES=0.3 V。LED导通电压降UD=1 V，正常发光时，电流为15 mA～25 mA。试问UI=5 V时，LED能否正常发光？
图1-28 晶体管LED驱动电路
解：输入低电平时，UI=0.3 V，低于晶体管b-e间的导通电压，晶体管截止，IC=0，LED不亮。
输入高电平时，UI=5V，利用电流关系法，判断晶体管的工作状态。
因为βIB=50×0.43 mA=21.5 mA＞17.4 mA，即ICS＜βIB，所以晶体管工作在饱和状态，由于流过LED的电流为17.4 mA，而LED电流在15～25 mA之间，所以LED能正常发光。
2.晶体管非门电路
非门的逻辑功能是实现高、低电平的相互转换。即若输入为高电平，则输出为低电平；若输入为低电平，则输出为高电平。
【例1-14】 图1-29是晶体管构成的非门电路，输入UI是数字信号，低电平为0.3 V，高电平为5 V。已知晶体管β=50，UBE=0.7 V，UCES=0.3 V。试分析该电路，确定其反相功能。
解：图1-29所示电路和LED驱动电路类似，分析计算方法也相同。
图1-29 晶体管非门电路
输入低电平时，UI=0.3 V，晶体管截止，IC=0，此时c-e间如同开关断开，输出端电压为电源电压，UO=10 V。
输入高电平时，UI=5 V，晶体管导通，需要进一步判断晶体管工作在放大区还是饱和区。
因为ICS＜βIB，所以晶体管进入饱和状态，UO=UCES=0.3 V，c-e间如同开关闭合。
可见，该电路输入低电平时，输出为高电平；输入高电平时，输出为低电平，电路具有非门功能，可用于实现逻辑运算中的非运算。
3.晶体管与非门电路
晶体管可以构成各种逻辑电路，实现各种逻辑运算。图1-30a为与一个与非门电路。其工作原理是：晶体管VT1为多发射极晶体管，可以等效为图1-30b所示的二极管结构，b1、e1、e2、c1是VT1的各电极，这是一个二极管与门电路（参见例1-6对图1-15的分析）。下面按不同的输入电平分别进行讨论。
当UI1、UI2中至少有一个为低电平时，图1-30b中b1电位约为1 V（0.3+0.7=1 V），不足以使VD3、VT2和VT4都导通（需2.1V），因此VT4截止，电源电压经R2使VT3和VD导通，输出电位约为UO=5 V-UR2-UBE3-UD=5 V-0-0.7-0.7=3.6 V（R2电压降很小，忽略不计），此时输出为高电平。电路的这一输出状态称为关门状态，此时VT4截止。
当UI1、UI2输入全为高电平时，电源电压经VD3使VT2和VT4导通，b1电位约为2.1 V（UD3+UBE2+UBE4=0.7 V+0.7 V+0.7 V=2.1 V）。这将使VD1和VD2都截止。VT2饱和导通，其集电极电位为1V（UCES2+UBE4=0.3 V+0.7 V=1.0 V），该电位不足以使VT3和VD导通（需0.7 V+0.7 V=1.4 V），因此VT3和VD截止，电源和VT4间相当于一个阻值很大的电阻，因此输出电压为VT4的饱和电压降UO=0.3 V，此时输出低电平。电路的这一输出状态称为开门状态，此时VT4饱和导通。
图1-30 TTL与非门原理电路
a）电路图 b）VT1管等效结构
综上所述，电路输入全为高电平，输出低电平；输入中有低电平，输出就为高电平。用数字逻辑的话来说，其特点为全1出0，有0出1，电路实现了两个输入信号的与非运算，是两输入与非门。