第2章 晶體管及其放大電路

2.1 晶體管

晶體管是一種重要的半導體器件，是放大電路的核心。

2.1.1 晶體管的結構及分類

1. 晶體管的結構與電路符號

常見晶體管的外形如圖2-1所示。

晶體管的內部結構示意圖電路符號如圖2-2所示，含有3個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)及集電區(qū)。從3個區(qū)各引出一個金屬電極，分別稱為發(fā)射極（E）、基極（B）和集電極（C）；同時在3個區(qū)的兩個交界處分別形成兩個PN結，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為發(fā)射結，集電區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為集電結。按半導體的組合方式不同，可將其分為NPN型管和PNP型管。圖2-2符號中箭頭方向表示放大狀態(tài)時發(fā)射結的實際電流方向。

2. 晶體管的分類

晶體管按其結構類型分為NPN型管和PNP型管；按其制作材料分為硅管和鍺管；按其工作頻率分為高頻管（工作頻率大于3MHz）和低頻管（工作頻率小于3MHz）；按其功率大小分為大功率管、中功率管和小功率管；按其工作狀態(tài)分為放大管和開關管。

2.1.2 晶體管電流放大作用及電流分配關系

要實現晶體管的電流放大作用，必須給晶體管提供一個合適的偏置電壓：即晶體管的發(fā)射結加上正向偏置電壓，集電結加上反向偏置電壓。由NPN型晶體管組成的放大電路3個極的電位關系為UC>UB>UE；由PNP型晶體管組成的放大電路3個極的電位關系為UE>UB>UC。NPN、PNP型管構成的放大電路。晶體管的共射極接線如圖2-3所示。

晶體管中各電極電流分配關系可用圖2-4所示的電路進行測試。

1. 測試數據

調節(jié)圖中的電位器RP，由微安表、毫安表可測得相應的IB、IC、IE的測試數據，如表2-1所示。

2. 數據分析

（1）IB、IC、IE間的關系

由表2-1中的每列都可得到

IB+IC=IE （2-1）

此結果滿足基爾霍夫電流定律，即流進晶體管的電流等于流出晶體管的電流。

（2）晶體管電流放大系數

晶體管直流電流放大系數，用表示，即

由上式可得

根據表2-1及式2-3可知，基極電流較小的變化，引起集電極電流較大的變化。因此晶體管是一種電流控制型器件。即基極電流對集電極電流具有小量控制大量的作用。

根據IB+IC=IE，可得

晶體管交流電流放大系數，用β表示，等于集電極電流和基極電流變化量的比值，即

通常將β稱作共射極交流電流放大系數。

，為了表示方便，以后不加區(qū)分，統一用β表示。

2.1.3 晶體管的特性曲線

晶體管的特性曲線是指各極上的電壓和電流之間的關系曲線，包括輸入特性曲線和輸出特性曲線。它能直觀、全面地反映晶體管各極電流與電壓之間的關系。晶體管特性曲線可以用晶體管特性圖示儀直觀地顯示出來，也可用測試電路逐點描繪。

1. 輸入特性曲線

輸入特性曲線是指當集電極和發(fā)射極電壓uCE一定時，輸入回路中的基極電流iB與基-射極間電壓uBE之間的關系曲線，即

iB=f（uBE）uCE=常數

圖2-5為晶體管的輸入特性曲線。由圖2-5可見，只有當uBE大于一定電壓（稱為死區(qū)電壓或門檻電壓）時，輸入回路才有iB電流產生。硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。當發(fā)射結完全導通時，晶體管也具有恒壓特性。對于小功率硅管的導通電壓為0.6～0.7V，對于小功率鍺管的導通電壓為0.2～0.3V，這是檢查晶體管是否正常工作的重要依據。

2. 輸出特性曲線

輸出特性曲線是指基極電流iB為定值時，集電極電流iC同集電極與發(fā)射極之間的電壓uCE之間關系的曲線，即

iC=f（uCE）iB=常數

圖2-6為晶體管的輸出特性曲線。

根據晶體管的不同工作狀態(tài)，輸出特性曲線可分為3個工作區(qū)。

（1）放大區(qū)

特性曲線中近似平行等距部分的區(qū)域稱為放大區(qū)。此時，晶體管的發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。有如下重要特性。

受控特性：指iC隨著iB的變化而變化，iC=βiB，體現了晶體管電流放大作用，即iC與uCE幾乎無關，僅受iB控制。

恒流特性：指當輸入回路中有一個恒定的iB時，輸出回路便對應一個基本不受uCE影響的恒定的iC。

各曲線間的間隔大小可體現β值的大小。

（2）截止區(qū)

iB=0所對應的那條輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。此時，晶體管的發(fā)射結反向偏置（或無偏置又稱為零偏置），集電結反向偏置。在此區(qū)內，iB=0，iC=0（忽略ICEO），相當于晶體管的C和E均處于開路，類似于開關斷開，這時uCE≈UCC。

（3）飽和區(qū)

曲線族左側iC上升段和彎曲部分之間為飽和區(qū)。此時，發(fā)射結和集電結均處于正向偏置。晶體管失去了基極電流對集電極電流的控制作用。此時所對應的uCE值稱為飽和壓降，用UCES表示。一般情況下，小功率管的UCES小于0.4V（硅管約為0.3V，鍺管約為0.1V），大功率管的UCES約為1～3V。在理想條件下，UCES≈0，晶體管C、E極之間相當于短路狀態(tài)，類似于開關閉合。

2.1.4 晶體管的主要參數

1.電流放大系數β和β

β和β是晶體管接成共射電路的直流電流放大系數和交流放大系數，參見式2-2、式2-5。選擇管子時，β值要恰當，β值太大的管子，工作穩(wěn)定性差；β值太小，放大能力差。低頻管的β值一般選20～100，高頻管大于10即可。

2. 極間反向飽和電流

（1）集—基極間反向飽和電流ICBO

ICBO是指發(fā)射極開路，集電結在反向電壓作用下，形成的反向飽和電流。ICBO的大小反映了晶體管的熱穩(wěn)定性，受溫度變化的影響很大，ICBO越小，說明其穩(wěn)定性越好。硅管ICBO小于鍺管。

（2）集—射極間反向飽和電流—穿透電流ICEO

ICEO是指基極開路，集電極—發(fā)射極間加上一定數值的反偏電壓時，從集電極穿透集電結和發(fā)射結流入發(fā)射極的電流。它與ICBO的關系為

ICEO=（1+β）ICBO

ICEO也受溫度影響很大，溫度升高，ICEO增大。穿透電流ICEO的大小是衡量晶體管質量的重要參數，硅管的ICEO比鍺管的小。

在選用管子時，應選用反向飽和電流小的管子。

3. 極限參數

（1）集電極最大允許電流ICM

當集電極電流太大時，晶體管的電流放大系數β值下降。當β值下降到正常值的2/3時所對應的集電極電流iC，稱為集電極最大允許電流ICM。在實際使用中，流過集電極的電流IC必須滿足IC<ICM。

（2）集電極—發(fā)射極間的擊穿電壓U（BR）CEO

U（BR）CEO是指當基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。在實際使用中，必須滿足UCE<U（BR）CEO。

（3）集電極最大耗散功率PCM

集電極最大耗散功率是指晶體管正常工作時最大允許消耗的功率（PCM=UCEIC）。這個功率損耗將使管子結溫升高。當晶體管消耗的功率超過PCM值時，將使晶體管性能變差，甚至燒壞管子。因此，在使用晶體管時，PC必須小于PCM才能保證管子正常工作。功率管一般要另加散熱裝置，以滿足此條件。

當晶體管的PCM一定時，PCM=UCEIC，可得集電極功率損耗曲線，晶體管的安全工作區(qū)如圖2-7所示。功耗線左下方為安全工作區(qū)，右上方為過損耗區(qū)。使用時，晶體管不允許進入過損耗區(qū)。

2.1.5 晶體管的測試

1. 由晶體管外形初判引腳

根據晶體管的外形特點，初判其引腳，常見典型晶體管的引腳排列圖如圖2-8所示。需指出，圖2-8中的引腳排列方法是一般規(guī)律，應以測量為準。

2. 用萬用表檢測晶體管的

引腳和類型

（1）判斷基極和管型的判別

由于晶體管的基極對集電極和發(fā)射極的正向電阻都較小，可根據這個特點判別基極及管型。晶體管基極的判別如圖2-9所示。將萬用表撥在R×100Ω或R×1kΩ檔上，當黑（紅）表筆接觸某一電極時，將黑（紅）表筆分別與另外兩個電極接觸，輪流測試，直到測出的兩個電阻值都很小。若黑表筆接公共電極，則此極為基極，該管為NPN型管；若紅表筆接公共電極，則此極為基極，該管為PNP型管。

（2）集電極和發(fā)射極的判別

晶體管的集電極和發(fā)射極的判別如圖2-10所示，以NPN型晶體管為例先在除基極以外的兩個電極中任設一個為集電極，并將萬用表的黑表筆接在假設的集電極上，紅表筆接在另一電極上，用一個大電阻（可用兩手指）接基極的假設的集電極之間，如果萬用表所測出的阻值較小，則假設正確，另一極為發(fā)射極。

測量PNP型晶體管的集電極時，用紅表筆接假設的集電極即可。