1.2 半導體三極管

1.2.1 半導體三極管的結構和符號

常見半導體三極管的外形及引腳排列，如圖1-5所示。

半導體三極管簡稱為三極管或晶體管，它是應用在電子電路中的很普遍的一種半導體器件。三極管的基本結構是在一塊半導體基片上，用一定的工藝方法形成兩個PN結和三個導電區，如圖1-6所示。如果兩邊是N區中間為P區，就稱為NPN型三極管；如果兩邊是P區而中間是N區，就稱為PNP型三極管。三極管有三個導電區，從中分別引出三個電極。中間的一個導電區稱為基區，由此引出的電極為基極B（Base）。兩邊分別是發射區及集電區，分別引出的電極為發射極E（Emitter）和集電極C（Collector）。發射區用來發射載流子，集電區用來收集載流子。三極管的圖形及符號分別如圖1-6（b）和圖1-6（d）所示，其中發射極箭頭方向表示發射結正向偏置時的電流方向，因此從它的方向即能判斷管子是NPN型還是PNP型。

NPN型和PNP型兩種類型的三極管，按其所選用的本征半導體材料的不同，有硅管和鍺管之分。

1.2.2 三極管的電流放大作用

為了實現電流放大作用，半導體三極管除了內部結構上的特點之外，還必須具備合適的外部條件，既要給三極管的發射結加正向電壓，又要給集電結加反向電壓。以NPN型管為例，如圖1-7所示，圖中VCC＞VBB，基極電源VBB的極性應保證使發射結處于正向偏置；而集電極電源VCC的極性應保證集電結處于反向偏置。其中三個電極的電位關系是VC＞VB＞VE。如果是PNP型管，就應將基極電源VBB和集電極電源VCC的極性均反過來，這時IB，IC，IE的方向也反過來了，三個電極的電位關系為VC＜VB＜VE。

在圖1-7所示電路中，IB所經過的回路稱為輸入電路，IC所經過的回路稱為輸出電路，兩個電路的公共端是三極管的發射極E，所以上述電路稱為共發射極（Common Emitter）電路，簡稱共射電路。此外還有共基極（Common Base）電路，簡稱共基電路，以及共集電極（Common Collector）電路，簡稱共集電路。

演示實驗：

測量IB，IC，IE并研究它們之間的相互關系。

演示電路如圖1-7所示，改變RB可以改變基極電流IB，而且集電極電流IC與發射極電流IE也隨之變化。測量結果如表1.1所示。從這些實驗數據，我們可以得到以下結論。

（1）IB，IC，IE 三個電流符合基爾霍夫電流定律。

由于IB很小，所以IC和IE 相差很小，即IC≈IE。

（2）IC與IB的關系。對一個確定的三極管而言，IC與IB的比值基本不變，該比值稱為共發射極直流電流放大系數（Current Amplification Factor）。

（3）基極電流的微小變化（ΔIB）能引起集電極電流的較大變化（ΔIC），ΔIC和 ΔIB之比稱為共發射極交流電流放大系數，記做β。

從表1-1實驗數據中可見，測量時由于每次三極管的工作電流大小不同，而三次測量的β （或）也有一定的差異，這說明β（或）與三極管的工作電流大小有關。

（4）基極開路時（IB=0），IC不為零。這時的IC值稱為穿透電流，記作ICEO。ICEO很小，鍺管為mA級，而硅管為μA級。因為ICEO是IB=0時的IC值，所以ICEO不受IB的控制。

（5）β和的區別和聯系。因為當IB=0時，IC=ICEO；而當基極電流由0增至IB時，集電極電流也相應地由ICEO增至IC，故有

于是可得出

式（1-4）表明了IC和IB的關系，因為ICEO很小，所以IC≈βIB或β≈，故在工程上對β和不作嚴格區分，估算時可以通用。

根據以上分析可知，IE是由IC和IB組成的，所謂電流放大并非大電流IC是由小電流IB放大而來的，而是大電流IC受小電流IB控制。以小控大，使IC隨IB的變化而變化的過程，就是三極管電流放大作用的實質。

課堂練習：

某三極管的電流分配關系數據如表1.1所示，求IB=0.02mA時的β和。

1.2.3 半導體三極管特性曲線

由于共發射極電路在電子電路中應用最為廣泛，所以下面仍以NPN型硅管為例，分析討論三極管共發射極接法時的特性曲線。

1. 輸入特性（Input Characteristics）

輸入特性曲線是指當VCE一定時，IB與VBE之間的關系曲線，即

IB=f（VBE）|VCE=常數

演示實驗：

用晶體管特性圖示儀測量三極管的輸入特性曲線。

實驗結果如圖1-8所示。由圖可見，三極管的輸入特性是非線性的，與二極管正向特性相似，也有一段死區電壓（硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V）。當三極管正常工作時，發射結壓降變化不大，該壓降稱為導通電壓（硅管約為0.6～0.7V，鍺管約為0.2～0.3V）。由實驗還可知，當VCE增大時輸入特性曲線會向右平移，但VCE> 2V后，該曲線基本不再向右平移而趨于重合。

2. 輸出特性（Out-put Characteristics）

輸出特性曲線是指當IB一定時，IC與VCE之間的關系曲線，即

IC=f（VCE）|IB=常數

演示實驗：

用晶體管特性圖示儀測量三極管的輸出特性曲線。

實驗結果如圖1-9所示。由圖可見，三極管的輸出特性中，對應于每一個IB值，就有一條特性曲線與之對應，所以三極管的輸出特性是一組曲線，它可分為放大區（Active Region）、飽和區（Saturation Region）和截止區（Cut-off Region）三個工作區域，如圖1-10所示。它們分別與三極管的三種工作狀態：放大狀態、飽和狀態、截止狀態相對應。

（1）放大區。三極管處于放大狀態的條件是：發射結正向偏置和集電結反向偏置。放大區就是在輸出特性曲線上IB＞0和VCE＞1V的部分，即曲線平坦區域，如圖1-10所示。可見當IB不變時IC基本不變，即具有恒流特性；IB改變，IC隨之改變，表明IC受IB控制，具有電流放大作用。

（2）飽和區。如果發射結正向偏置且集電結也是正向偏置，則三極管處于飽和狀態。飽和區也就是在輸出特性曲線上，IC隨VCE的增大而增大的區域，如圖1-10所示，此時IC≈βIB的關系不成立。飽和時集電極電流IC不再隨IB的變化而變化，此時的IC記作ICS，稱為集電極飽和電流。集電極飽和電流ICS主要由外電路決定：

三極管飽和時其管壓降VCE稱為飽和壓降VCES，VCES很小，一般小功率的硅管約0.3V，鍺管約0.1V，此時三極管相當于開關的接通。

（3）截止區。發射結反向偏置時，因發射結兩端電壓小于死區電壓，由三極管的輸入特性曲線可知IB≈0。由三極管的輸出特性曲線可知，IB=0時，IC=ICEO≈0，三極管處于截止狀態，截止區是在輸出特性曲線中IB=0以下的區域，如圖1-10所示，此時VCE近似等于集電極電源電壓VCC，三極管相當于開關的斷開。

NPN型小功率三極管在三種工作狀態時各極電壓的典型數據如表1.2所示。

綜上所述，三極管使用時通常有兩種不同的方式：第一種是三極管工作在放大狀態，利用IB對IC的控制作用，這是三極管在模擬電子技術中的應用；第二種是三極管工作在開關狀態，利用三極管在飽和與截止兩個狀態之間轉換，使三極管相當于一個受控開關，這是三極管在脈沖數字電子技術中的應用。

課堂練習：

試判斷圖1-11所示的各三極管工作在什么狀態？并說明各三極管的管型。

1.2.4 三極管的主要參數

1．共發射極直流電流放大系數和交流電流放大系數β

表示三極管工作點附近集電極電流與相應的基極電流之比，還可從三極管的輸出特性曲線上求得。

β值表示三極管工作點附近集電極電流的變化量與相應的基極電流變化量之比，β值也可以從三極管的輸出特性曲線上求得。

課堂練習：

三極管的輸出特性曲線如圖1-10所示，試求在VCE=6V處的β和的值。

2. 集電極發射極穿透電流ICEO

由于ICEO不受IB控制，而且ICEO對溫度變化比較敏感，所以希望ICEO越小越好，以免影響放大電路的穩定性。由于硅管的ICEO遠小于鍺管，因此人們在多數情況下選用硅管。

3. 極限參數

極限參數是指在三極管正常工作時，所允許的最大電流、電壓和功率等極限參數，它關系到三極管的安全使用問題。

（1）集電極最大允許電流ICM。工作時IC若超過ICM，三極管的β值將明顯下降，β值低于額定值的2/3后，三極管的特性將變差。

（2）集電極發射極反向擊穿電壓V（BR）CEO。工作時，VCE應小于此值，以免擊穿。另外溫度升高將使V（BR）CEO降低，因此應留有一定余量。

（3）集電極最大耗散功率PCM。使用中應特別注意ICM和VCE，絕不能同時達到或超過規定的ICM和V（BR）CEO，否則它們的乘積將超過PCM很多，使三極管過熱而損壞。

在輸出特性曲線上，三極管IC不能超過ICM，電壓VCE不能超過V(BR）CEO，且IC和VCE的乘積不能超過PCM，所以三極管只能工作在如圖1-12所示的安全工作區。

半導體器件的主要缺點是熱穩定性較差，三極管的各種參數幾乎都受溫度變化的影響。比如，溫度上升，β和ICEO都將增大，使三極管輸出特性曲線中曲線與曲線之間的間隔變寬，并且使整個輸出特性曲線向上移。也就是說，在相同的IB情況下，IC隨溫度升高而增大。

課堂練習：

某三極管的輸出特性如圖1-12所示，試求出三極管的β，V（BR）CEO和ICM，ICEO等參數。

自我檢查題

1. 當半導體三極管的_____結正向偏置、_____結反向偏置時，三極管具有_____作用，即_____能控制 。

2. 試判斷圖1-13所示的各三極管工作在何種狀態？

3. 測得某三極管IB=10μA時，有IC=1.1mA；IB=20μA時，有IC=2.2mA，試求此三極管的β為多少？另求當IB=30μA時，IC為多少？