1.5 半導體三極管

半導體三極管簡稱三極管或晶體管，是一種內含兩個PN結，外部通常有三個引出電極的半導體器件，在電路中通常用“VT”（舊文字符號用“Q”、“BG”等）字母表示。

半導體三極管又稱為晶體三極管（簡稱三極管），是電子電路中應用最廣泛的器件之一。圖1-27是部分常用三極管的外形。

1. 三極管的基本結構

三極管是由兩個相距很近的PN結組成的，如圖1-28所示，它有三個區：發射區、基區和集電區，各自引出一個電極稱為發射極（用字母E或e表示）、基極（用字母B或b表示）、集電極（用字母C或c表示）。

（1） 三極管的結構特點

根據內部三個區域半導體類型的不同，三極管可分為PNP型和NPN型兩大類。

[1] 如果基區是N型，發射區和集電區都是P型，是PNP型三極管，如圖1-28（a）所示。

[2] 如果基區是P型，發射區和集電區都是N型，是NPN型三極管，如圖1-28（b）所示。

每個三極管內部都是由兩個PN結為主構成的，發射區和基區之間的PN結，稱為發射結；集電區和基區之間的PN結，稱為集電結。

（2） 三極管的工藝特性

在制造三極管的過程中，對其內部三個區域（發射區、基區和集電區）都有一定的工藝要求，必須保證它們具有下列的特點。

[1] 發射區摻雜濃度大于基區的摻雜濃度，以利用發射區向基區發射載流子。

[2] 基區做得很薄（幾微米～幾十微米），摻雜少，這種載流子通過基區時，只有極少數被復合。

[3] 集電區比發射區體積大且摻雜少，有利于收集載流子。

基于上述特點，可知三極管并不是兩個PN結的簡單組合，它不能用兩個二極管代替，一般也不可以將發射極和集電極顛倒使用。

（3） 三極管各電極的作用及電流分配

三極管三個電極的作用分別為：

[1] 發射極（E或e極）用來發射電子。

[2] 基極（B或b極）用來控制發射極發射電子的數量。

[3] 集電極（C或c極）用來收集電子。

三極管的發射極電流Ie與基極電流Ib、集電極電流Ic之間的關系為：

Ie=Ib+Ic

2. 三極管的電路圖形符號

NPN型三極管和PNP型三極管的電路圖形符號，如圖1-29所示。圖中發射極e（以下均以小寫字母為例）的箭頭，表示發射結加正向電壓時的電流方向，對照圖1-28所示結構不難看出：

[1] NPN型三極管發射極箭頭應指向管外（由基區指向發射區）。

[2] PNP型三極管發射極箭頭應指向管內（由發射區指向基區）。

NPN型和PNP型三極管可以用鍺材料制成，也可用硅材料制成。NPN型管多數為硅管，PNP型管多數為鍺管。常用三極管型號來表示它的制造材料、基本性能和用途。

3. 三極管的類型

三極管的品種繁多，根據其分類方式的不同，主要有以下各類。

（1） 根據半導體材料和極性分類

[1] 根據三極管使用的半導體材料分類，可分為硅材料三極管和鍺材料三極管。

[2] 根據三極管的極性分類，可分為鍺NPN型三極管、鍺PNP型三極管，硅NPN型三極管、硅PNP型三極管。

（2） 根據結構及制造工藝分類

三極管根據其制造工藝可分為擴散型三極管、合金型三極管以及平面型三極管。

（3） 根據封裝方式分類

三極管根據封裝方式分類，可分為塑料封裝（簡稱塑封）、金屬封裝、玻璃殼封裝（簡稱玻封）、陶瓷封裝以及表面封裝（即片狀）三極管等。

（4） 根據功能和用途分類

三極管根據其功能和用途分類，可分為低噪聲放大三極管、低頻放大三極管、中頻和高頻放大三極管、開關三極管、達林頓三極管、高反壓三極管、帶阻尼二極管的三極管、帶電阻器的三極管、磁敏三極管，光敏三極管、微波三極管等。

（5） 根據功率分類

三極管根據其功率大小分類，可分為小功率三極管、中功率三極管和大功率三極管三類。

（6） 根據工作頻率分類

三極管根據其工作頻率的不同來分類，可分為低頻三極管、高頻三極管及超高頻三極管等。

4. 三極管的基本工作條件

三極管屬于電流控制型半導體器件，它的放大特性主要是電流放大的能力。所謂放大能力是當三極管的基極電流發生較小變化時，其集電極電流將發生較大的變化；或當三極管具備了工作條件后，若從基極加入一個較小的信號，則其集電極就會輸出一個較大的信號。

三極管的基本工作條件：發射結（即b與e極之間）應加上較低的正向電壓（即正向偏置電壓），集電結（即b與c極之間）應加有較高的反向電壓（即反向偏置電壓）。如圖1-30所示。其中：圖1-30（a）所示是NPN型管正常工作時應加的電壓，圖1-30（b）所示是PNP型管正常工作時應加的電壓。由此可看出，這兩類管子其外部電路所接電源極性正好相反。加在發射極與基極之間的電壓叫偏置電壓，一般硅管在0.6～0.8 V，鍺管在0.1～0.3 V，加在集電極與基極之間的電壓視三極管的具體型號而定。

在圖1-30所示電路中，VT1為三極管，Ec為集電極電源；Eb為基極電源，又稱為偏置電源；Rb為基極電阻器，也稱為偏置電阻器；Rc為集電極電阻器，也稱為負載電阻器。

三極管具有放大作用的內部條件是基區寬度小于非平衡少數載流子的擴散長度（即由發射區進入基區的非平衡少數載流子在其存在期間所走過的距離）。這樣，注入基區的非平衡少數載流子才能大部分進入集電區，形成集電極電流；而只有一小部分與基區的多數載流子復合，形成基極電流，從而較小的基極電流變化就能引起較大的集電極電流變化，這就是三極管的放大作用。

5. 三極管在電路中的三種基本連接方式

電路中的三極管，其輸入端應有兩個外接端點與管外電路相連，組成輸入回路向管子輸入電流；其輸出端也應用兩個外接端點與管外電路相聯，組成輸出回路向管外輸出電流。由于三極管只有三個電極，所以必須有一個電極用來作為輸入回路和輸出回路的共用端點，該端點通常稱為“共同端”或“公共端”。故三極管在電路中根據公共端的不同可分為共基極、共發射極和共集電極三種基本連接方式，如圖1-31所示。

（1） 共基極連接方式

共基極連接方式是以發射極為輸入端，集電極為輸出端，基極為輸入、輸出回路的共同端，如圖1-31（a）所示。

（2） 共發射極連接方式

共發射極連接方式是以基極為輸入端，集電極為輸出端，發射極為輸入、輸出回路的共同端，如圖1-31（b）所示。

（3） 共集電極連接方式

共集電極連接方式是以基極為輸入端，發射極為輸出端，集電極為輸入、輸出回路的共同端，如圖1-31（c）所示。

圖1-31所示電路中，“┸”符號為共同端，又稱接地線端。

6. 三極管的輸入特性

晶體三極管的工作特性可以用伏安特性曲線來表示，通常用共發射極電路的發射結的伏安特性曲線和集電結的伏安特性曲線來分別描述三極管的輸入特性和輸出特性。

晶體三極管的輸入、輸出特性曲線如圖1-32所示。

輸入特性是加在發射結的輸入電壓Ube與基極輸入電流Ib的關系曲線，當集電結電壓Uce增大時，特性曲線右移。輸入特性曲線如圖1-32（a）所示。

7. 三極管的輸出特性

輸出特性是以輸入電流Ib為參量的輸出電壓Uce與輸出電流Ic的關系曲線，為一曲線簇，輸出特性曲線如圖1-32（b）所示。輸出特性分為三個工作區。

（1） 放大區

輸出特性曲線的區域Ⅱ為放大區。在放大區中

Ic=β·Ib

放大區也稱為線性區（注：β為靜態電流放大系數），因為 Ic和 Ib成正比關系。晶體管工作于放大狀態時，其發射結處于正向偏置，集電極處于反向偏置。

（2） 截止區

Ib=0的曲線以下的區域I稱為截止區。在截止區時，由于Ib=0，故Ic=Iceo（集電極與發射極間穿透電流）。

對于NPN型硅三極管而言，當Ube（基極與發射極間電壓）＜0.5 V時，即已開始截止，但是為了截止可靠，常使Ube≤0 V。截止時，集電結處于反向偏置狀態。

（3） 飽和區

整個曲線左面的區域Ⅲ即為飽和區。當Uce（集電極與發射間電壓）＜Ube時，集電結處于正向偏置，三極管工作于飽和狀態。

在飽和區，Ib的變化對Ic的影響較小，兩者不成正比，放大區的β不能適用于飽和區。飽和時，發射結也處于正向偏置狀態。此時 Uce（發射極與集電極之間的電壓）很小，集電極電流Ic不隨基極電流Ib變化而變化，沒有電流放大能力，集電極c與發射極e之間相當于短路。故若將三極管當做電子開關使用，它便正常工作在飽和區和截止區，前者相當于開關接通，后者相當于開關斷開。

8. 三極管三種工作狀態的特點

晶體三極管的工作狀態可分為截止狀態、放大狀態和飽和狀態。這三種工作狀態可從其輸出特性曲線明顯看出，如圖1-32（b）所示的截止區為I、放大區為Ⅱ、飽和區為Ⅲ。其中放大狀態起著放大作用，截止和飽和狀態起著開關作用。晶體三極管的三種工作狀態及其數量關系見表1-6所列。在該表中，按PNP型和NPN型晶體三極管兩種情況來分析，PNP和NPN管在三種工作狀態下的相關電路如圖1-33所示。

9. 晶體三極管的的電流放大原理

晶體三極管在電子電路中主要起電流放大作用，其電流放大原理圖如圖1-34所示。以PNP型晶體管為例，發射極在正向電壓作用下，電流Ie絕大部分通過基區（N型半導體）流向集電極，形成集電極電流 Ic，只有很小一部分電流從基極流出形成基極電流 Ib。基極電流Ib與集電極電流Ic有一定的比例關系，即一個很小的基極電流Ib對應于一個較大的集電極電流Ic，基極電流Ib的微小變化就會引起集電極電流Ic的較大變化。這就是晶體三級管的電流放大作用。

NPN型晶體三極管的電流放大原理同PNP型晶體三極管，只是電壓極性和電流方向不同。

10. 晶體三極管的電子開關原理

晶體三極管在電子電路中還可起開關作用，晶體三極管組成的電子開關電路如圖1-35所示，其控制信號一般為正脈沖波。

當脈沖出現時，輸入端處于高電平UH，使基極有很大的注入電流，它引起很大的集電極電流，電源電壓Ec的大部分都降在負載電阻器RL上，晶體管集電極和發射極間的電壓降 Uce變得很小。此時晶體管的集電極和發射極之間如同接通了的開關，此狀態稱為導通或開態。

反之，當輸入端控制電壓處于低電平時，則基極沒有電流注入，集電極電流很小，此時負載電阻器RL上的電壓降很小，電源電壓Ec幾乎全部降在晶體管上，集電極與發射極之間如同斷開了的開關，此狀態稱為截止或關態。