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(dǎo)體器件，是放大電路的核心。

2.1.1 晶體管的結(jié)構(gòu)及分類

1. 晶體管的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)

常見晶體管的外形如圖2-1所示。

晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖電路符號(hào)如圖2-2所示，含有3個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)及集電區(qū)。從3個(gè)區(qū)各引出一個(gè)金屬電極，分別稱為發(fā)射極（E）、基極（B）和集電極（C）；同時(shí)在3個(gè)區(qū)的兩個(gè)交界處分別形成兩個(gè)PN結(jié)，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)。按半導(dǎo)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(hào)中箭頭方向表示放大狀態(tài)時(shí)發(fā)射結(jié)的實(shí)際電流方向。

2. 晶體管的分類

晶體管按其結(jié)構(gòu)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(guān)管。

2.1.2 晶體管電流放大作用及電流分配關(guān)系

要實(shí)現(xiàn)晶體管的電流放大作用，必須給晶體管提供一個(gè)合適的偏置電壓：即晶體管的發(fā)射結(jié)加上正向偏置電壓，集電結(jié)加上反向偏置電壓。由NPN型晶體管組成的放大電路3個(gè)極的電位關(guān)系為UC>UB>UE；由PNP型晶體管組成的放大電路3個(gè)極的電位關(guān)系為UE>UB>UC。NPN、PNP型管構(gòu)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(guān)系可用圖2-4所示的電路進(jìn)行測試。

1. 測試數(shù)據(jù)

調(diào)節(jié)圖中的電位器RP，由微安表、毫安表可測得相應(yīng)的IB、IC、IE的測試數(shù)據(jù)，如表2-1所示。

2. 數(shù)據(jù)分析

（1）IB、IC、IE間的關(guān)系

由表2-1中的每列都可得到

IB+IC=IE （2-1）

此結(jié)果滿足基爾霍夫電流定律，即流進(jìn)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(shù)

晶體管直流電流放大系數(shù)，用表示，即

由上式可得

根據(jù)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(duì)集電極電流具有小量控制大量的作用。

根據(jù)IB+IC=IE，可得

晶體管交流電流放大系數(shù)，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(shù)。

，為了表示方便，以后不加區(qū)分，統(tǒng)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(guān)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(guān)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(diǎn)描繪。

1. 輸入特性曲線

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

iB=f（uBE）uCE=常數(shù)

圖2-5為晶體管的輸入特性曲線。由圖2-5可見，只有當(dāng)uBE大于一定電壓（稱為死區(qū)電壓或門檻電壓）時(shí)，輸入回路才有iB電流產(chǎn)生。硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。當(dāng)發(fā)射結(jié)完全導(dǎo)通時(shí)，晶體管也具有恒壓特性。對(duì)于小功率硅管的導(dǎo)通電壓為0.6～0.7V，對(duì)于小功率鍺管的導(dǎo)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(jù)。

2. 輸出特性曲線

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

iC=f（uCE）iB=常數(shù)

圖2-6為晶體管的輸出特性曲線。

根據(jù)晶體管的不同工作狀態(tài)，輸出特性曲線可分為3個(gè)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(shí)，晶體管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)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(xiàn)了晶體管電流放大作用，即iC與uCE幾乎無關(guān)，僅受iB控制。

恒流特性：指當(dāng)輸入回路中有一個(gè)恒定的iB時(shí)，輸出回路便對(duì)應(yīng)一個(gè)基本不受uCE影響的恒定的iC。

各曲線間的間隔大小可體現(xiàn)β值的大小。

（2）截止區(qū)

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

（3）飽和區(qū)

曲線族左側(cè)iC上升段和彎曲部分之間為飽和區(qū)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。晶體管失去了基極電流對(duì)集電極電流的控制作用。此時(shí)所對(duì)應(yīng)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(dāng)于短路狀態(tài)，類似于開關(guān)閉合。

2.1.4 晶體管的主要參數(shù)

1.電流放大系數(shù)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(shù)和交流放大系數(shù)，參見式2-2、式2-5。選擇管子時(shí)，β值要恰當(dāng)，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(jié)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(shù)值的反偏電壓時(shí)，從集電極穿透集電結(jié)和發(fā)射結(jié)流入發(fā)射極的電流。它與ICBO的關(guān)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(zhì)量的重要參數(shù)，硅管的ICEO比鍺管的小。

在選用管子時(shí)，應(yīng)選用反向飽和電流小的管子。

3. 極限參數(shù)

（1）集電極最大允許電流ICM

當(dāng)集電極電流太大時(shí)，晶體管的電流放大系數(shù)β值下降。當(dāng)β值下降到正常值的2/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的集電極電流iC，稱為集電極最大允許電流ICM。在實(shí)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(dāng)基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。在實(shí)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(shí)最大允許消耗的功率（PCM=UCEIC）。這個(gè)功率損耗將使管子結(jié)溫升高。當(dāng)晶體管消耗的功率超過PCM值時(shí)，將使晶體管性能變差，甚至燒壞管子。因此，在使用晶體管時(shí)，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(dāng)晶體管的PCM一定時(shí)，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(shí)，晶體管不允許進(jìn)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(jù)晶體管的外形特點(diǎn)，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(yīng)以測量為準(zhǔn)。

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(duì)集電極和發(fā)射極的正向電阻都較小，可根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)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(dāng)黑（紅）表筆接觸某一電極時(shí)，將黑（紅）表筆分別與另外兩個(gè)電極接觸，輪流測試，直到測出的兩個(gè)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(gè)電極中任設(shè)一個(gè)為集電極，并將萬用表的黑表筆接在假設(shè)的集電極上，紅表筆接在另一電極上，用一個(gè)大電阻（可用兩手指）接基極的假設(shè)的集電極之間，如果萬用表所測出的阻值較小，則假設(shè)正確，另一極為發(fā)射極。

測量PNP型晶體管的集電極時(shí)，用紅表筆接假設(shè)的集電極即可。