2.2 半導體三極管

半導體三極管是由兩個PN結構成的半導體器件。由于兩個PN結有不同的組合方式，半導體三極管可分為NPN型和PNP型兩大類。制造半導體三極管的材料有鍺和硅，所以半導體三極管又有鍺管和硅管之分。另外，因制造半導體三極管采用的工藝不同，可以做出高頻管（3MHz以上）和低頻管（3MHz以下），以及大、中、小功率管。

在穩(wěn)壓電源電路中，大功率晶體管主要用做調整元器件或推動放大級；小功率管主要用做放大電路、保護電路、恒流源電路、轉換電路及開關電源中的脈沖電路。

在設計穩(wěn)壓電源時，常用到半導體三極管的一些參數(shù)及特性曲線，下面簡單地介紹一下。

2.2.1 半導體三極管的特性曲線

半導體三極管特性的測試電路如圖2-15所示。

把三極管各電極的各種電壓與電流的相互關系描繪成曲線，便是三極管的特性曲線。半導體三極管的特性曲線分為輸入和輸出兩種。輸入特性曲線是指把三極管的集電極-發(fā)射極電壓Uce固定在某一個值上，反映基極電流Ib與發(fā)射極電壓之間的關系的曲線，如圖2-16所示。圖中左邊三條為鍺管的曲線，右邊一條為硅管的曲線。

半導體三極管輸出特性曲線，指的是把基極電流Ib固定在某一個點，反映三極管集電極電流Ic與集電極-發(fā)射極電壓Uce之間關線的曲線。從輸出特性曲線中可以看出，三極管的工作狀態(tài)可以劃分成三個區(qū)域，如圖2-17所示。

其中，Ib=0曲線以下的陰影部分稱為截止區(qū)。截止區(qū)的特點是，三極管的兩個PN結都處于反向偏置，因此沒有放大作用。此時，三極管的內阻很大，相當于開關斷開。

靠近左邊的陰影部分是飽和區(qū)。它的特點是兩個PN結都處于正向偏置，基極-發(fā)射極電壓近似為零。此時，即使繼續(xù)增大基極電流Ib，集電極電流Ic也不會再增大了，三極管同樣失去了放大作用，相當于開關接通，三極管內阻很小。

開關電源就是在這兩種狀態(tài)下工作的，當電源的輸出電壓因電網(wǎng)或負載某一個方面的影響而下降時，通過反饋控制系統(tǒng)，使調整三極管處于飽和區(qū)，輸入電壓通過三極管直接加到電源的輸出端，使輸出電壓趨向于上升；反之，當電源電壓上升時，三極管工作在截止區(qū)，使輸入電壓無法加到輸出端，輸出電壓因此而下降，使穩(wěn)壓電源的輸出電壓始終保持穩(wěn)定。

在飽和區(qū)和截止區(qū)之間是放大區(qū)。三極管工作在這個區(qū)域時，集電極電流Ic是由基極電流Ib控制的，Ib增大時Ic便增大，Ib減小時Ic也減小，而且兩者總是相差β倍。β稱為電流放大倍數(shù)。穩(wěn)壓電源中的各種放大器及串聯(lián)型穩(wěn)壓電源中的調整三極管都工作在這個區(qū)域內。

2.2.2 半導體三極管的三種基本接法

半導體三極管有三種基本接法：共發(fā)射極、共集電極和共基極。不同接法的輸入端和輸出端各不相同，但它們的工作原理是基本相同的。所謂共發(fā)射極是指發(fā)射極接地，如圖2-18所示。這種電路既具有電壓增益，又具有電流增益，所以得到了最廣泛的應用。

共集電極電路也稱射極跟隨器，如圖2-19所示。它的電流增益與共發(fā)射極電路近似相等，電壓增益小于或等于1，輸入電壓與輸出電壓極性相同、幅值相等，輸入電阻高，輸出電阻小。由于它有這些優(yōu)點，所以在穩(wěn)壓電源中比較常用。

共基極電路雖然電流增益小于1，輸入電阻也很小，僅有幾十歐姆。但是它的輸出電阻大，電壓增益高，頻率特性好，工作穩(wěn)定，非線性失真小，所以常在高頻電路中使用，該電路如圖2-20所示。

半導體三極管三種電路的性能比較見表2-1。

2.2.3 半導體三極管的主要參數(shù)

在設計調試半導體三極管電路時常常以三極管的參數(shù)為基本根據(jù)，無線電愛好者或從事電子行業(yè)的工作人員都應該了解和熟悉。半導體三極管的參數(shù)很多，這里選主要的進行介紹。

1．電流放大倍數(shù)

半導體三極管電流放大倍數(shù)，一般有兩種含義。一種是在共基極電路情況下的，它用α或hfb或h21b表示。由于共基極電路在穩(wěn)壓電源中應用較少，在此不贅述；另一種是在共發(fā)射極電路情況下的，常用β或hFE、h21表示。有靜態(tài)直流放大倍數(shù)和動態(tài)交流放大倍數(shù)之分。直流放大倍數(shù)的含義是集電極電流Ic與基極電流Ib之比。交流放大倍數(shù)的定義是，使三極管集電極-發(fā)射極電壓Uce保持一個常數(shù)，是集電極電流變化量ΔIc與基極電流變化量ΔIb之比。電流放大倍數(shù)可用儀器測出，也能由特性曲線求得。

2．輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻是半導體三極管交流短路時，基極-發(fā)射極間的電阻。它表示三極管基極-發(fā)射極間交流輸入電壓與交流輸入電流的比值。

在低頻小功率半導體三極管中，輸入電阻可用如下簡化公式算出

式中 Ie——發(fā)射極電流，單位是mA。

輸出電阻是輸入端開路時輸出電壓變化量ΔUce與輸出電流變化量ΔIc的比值。

3．半導體三極管的頻率參數(shù)

三極管的電流放大倍數(shù)β，只有在一定的頻率下才保持不變，當頻率超過一定范圍時，β將隨頻率的增加而下降。一般把β下降到原來數(shù)值的0.707倍時的頻率，稱為截止頻率，用fβ表示。把β下降到1時的頻率稱為特征頻率，用fT來表示。特征頻率不僅反映出頻率特性，同時還反映了放大特性，所以還稱為增益-帶寬乘積。

4．半導體三極管的極限參數(shù)

在設計電路選擇半導體三極管時，有些參數(shù)是絕對不可超越的，否則會損壞三極管，這類參數(shù)稱為極限參數(shù)。主要的極限參數(shù)如下：

（1）集電極-基極擊穿電壓UCBO：它是發(fā)射極開路時的集電結反向擊穿電壓。三極管手冊或說明書所給出的UCBO值是在室溫（25℃）時測得的典型值。而實際的UCBO值是隨環(huán)境溫度升高而減小的。如果三極管溫升達到允許溫度時（鍺管為70～90℃，硅管為150～200℃）, UCBO幾乎減小到手冊給出值的1/2。因此，在實際應用時必須充分考慮環(huán)境溫度的變化，使集電極-基極的反向電壓遠小于UCBO。

（2）發(fā)射極-基極擊穿電壓UEBO：這是指集電極開路時，發(fā)射極的擊穿電壓。在設計開關電路時，這個參數(shù)非常重要，不應超過手冊或說明書上給出的數(shù)值。

不同類型的三極管UEBO值也不一樣，而且相差比較懸殊。其中，以擴散基極的UEBO為最小，甚至只有零點幾伏。因此，當基極-發(fā)射極之間有較大的反向脈沖電壓或大的交流信號時，選用晶體管應特別慎重，以免造成擊穿損壞。

（3）集電極-發(fā)射極擊穿電壓UCEO：它是當基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓。同一個三極管的UCEO值總比UCBO要小。它也受環(huán)境溫度變化的影響，溫度升高它便減小。另外，它還與電流放大倍數(shù)β有關，通常是β小，UCEO值大；β大，UCEO值小。

（4）基極-發(fā)射極間串聯(lián)有電阻的集電極-發(fā)射極擊穿電壓UCER。在實際應用中，三極管基極-發(fā)射極之間總是串聯(lián)著不同阻值的電阻（或等效電阻，如信號源內阻）Rbe，此時集電極發(fā)射極所允許施加的最高電壓就是UCER。UCER值隨電阻Rbe值的減小而提高。當Rbe=0（發(fā)射極與基極短路）時，UCER趨近于UCBO值；當Rbe很大時，UCER趨近于UCEO值。手冊或說明書所給的UCER值，是在某個規(guī)定電阻值Rbe時的集電極-發(fā)射極之間的擊穿電壓。

（5）集電極最大允許電流ICM：集電極電流Ic超過某個定值時，三極管的參數(shù)開始發(fā)生變化，尤其是電流放大倍數(shù)α或β有下降的趨勢。三極管參數(shù)的變化不超過規(guī)定允許值時的集電極最大電流，稱為集電極最大允許電流ICM。一般在手冊或說明書上所列出的ICM值是指共基極電流放大系數(shù)α降低到原來值的2/3或1/2左右時的集電極電流值。必要時，集電極電流Ic可以超過ICM，但電流放大倍數(shù)要降低。

（6）集電極最大允許耗散功率PCM和熱阻Rθ：半導體三極管集電極最大允許耗散功率PCM實際上就是集電極直流電壓和集電極直流電流的乘積。半導體手冊或說明書給出的PCM值，一般是環(huán)境溫度TA=25℃時集電極最大允許耗散功率。當環(huán)境溫度升高時，PCM要相應地降低。

特別應該注意的是，三極管工作時，集電極最大允許電流ICM和最大集電極電壓（如UCBO和UCEO）不能同時達到，否則兩者的乘積會超過PCM值。

熱阻Rθ是衡量半導體三極管集電極耗散功率大小的另一個參數(shù)，它表征了三極管工作時所產(chǎn)生的熱能向外消散的能力。Rθ越小，散熱的能力越強，在相同環(huán)境溫度下能承受的PCM就越大。熱阻的單位是℃/mW或℃/W。

集電極最大耗散功率PCM′、熱阻Rθ和環(huán)境溫度TA三者存在著如下關系：

式中，TjM是三極管的最高結溫（鍺管約為80～90℃，硅管約為150～250℃）。當TA=25℃時，集電極最大耗散功率PCM′與最大允許耗散功率PCM相等，即

這樣，當Rθ已知時，便能運用上式求出該管的PCM值，也可以求出不同環(huán)境溫度下的集電極最大耗散功率PCM′。例如，某三極管TjM=180℃，工作環(huán)境溫度為30℃，熱阻Rθ為3℃/W，則

5．半導體三極管直流特性參數(shù)

半導體三極管直流特性參數(shù)是評價三極管穩(wěn)定工作的重要指標，常常用它來判別三極管在寬的溫度范圍內工作的能力。這些參數(shù)主要是指三極管各電極間的反向飽和電流（或稱反向截止電流）。

（1）集電極-基極反向飽和電流ICBO：它是當發(fā)射極開路時，在基極與集電極間加有規(guī)定的反向電壓-UCB時的集電極電流。質量好的三極管ICBO應該是很小的。一般小功率三極管ICBO約為1～10μA；大功率三極管ICBO可達數(shù)毫安，高的達10mA。硅三極管的ICBO只有相同功能鍺管的幾百分之一，甚至幾千分之一。

ICBO受溫度影響很大，鍺管溫度每升高12℃時，ICBO就增加一倍左右；硅管溫度每升高8℃, ICBO就增加一倍左右。因為ICBO是集電極電流的一部分，隨著溫度的升高，ICBO成倍地增長，必然會導致集電極電流的增長。設計電路時，應充分考慮這一點，以免損壞三極管。

（2）集電極-發(fā)射極反向飽和電流ICEO：它是基極開路時，在集電極與發(fā)射極之間加有規(guī)定的反向偏壓-Uce時的集電極電流，也稱穿透電流。有的三極管手冊和說明書還給出了ICER和ICES兩個參數(shù)。ICER是當基極和發(fā)射極之間串聯(lián)電阻Rbe時，集電極-發(fā)射極反向飽和電流值；ICES為基極-發(fā)射極短路時，集電極-發(fā)射極反向飽和電流值。這兩個參數(shù)是用來表示三極管在大信號工作時，工作點的穩(wěn)定程度，這兩個參數(shù)越小，工作點就越穩(wěn)定。在相同偏壓下， ICER總比ICEO小；電阻Rbe越小，ICES也越小。當基極與發(fā)射極短路時，ICER即與ICES相等。在一般情況下，ICES＜ICBO，且趨近于ICBO值。

（3）基極-發(fā)射極反向飽和電流IEBO：它是當集電極開路時，在發(fā)射極與基極之間加有規(guī)定的反向電壓-UEB時的發(fā)射極反向飽和電流。IEBO越小越好，它是表征三極管發(fā)射極質量的。一般小功率鍺管IEBO＜10μA；硅管的IEBO＜0.1μA。IEBO也是三極管工作點穩(wěn)定性參數(shù)之一。