1.7 半导体三极管

1.7.1 半导体三极管的类型

晶体管有两个 PN 结，即发射结和集电结；三个电极，即发射极E、基极B、集电极C。按PN 结的构成材料不同，分NPN和PNP 两种类型。常见晶体管的结构和电路图形符号如图1-18所示。

1.7.2 晶体管的放大原理

下面通过一个实验来了解晶体管的放大作用和其中的电流分配。实验电路如图1-19所示。将晶体管接成两个回路：一个回路经过电阻RB（通常为几百千欧的可调电阻）、电源UCC的负极，称为基极回路，也称为偏置电路；另一个回路是由电源UCC的正极经过电阻RC、集电极、发射极再到电源UCC的负极，构成集电极回路。各回路中均串有电流表，集电极与发射极可接毫安表，基极电流很小，可采用微安表。

改变可变电阻RB的阻值，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化。电流方向如图1-19所示，测量结果见表1-2。

由实验及测量结果可得出如下结论：

① 基极电流IB与集电极电流IC之和等于发射极电流IE，即

② 基极电流IB比集电极电流IC和发射极电流IE小得多，通常可认为发射极电流约等于集电极电流，即

IE≈IC≫IB

③ 晶体管有电流放大作用，从表1-2第三列的数据中可以看到，IC与IB的比值为

IC/IB=1.5/0.04=37.5

从而可以看出，电流的放大作用体现在基极电流的微小变化引起集电极电流IC的较大变化，这就是放大作用。通常用电流放大系数β=IC/IB来表示。

综上所述可以得出，放大器就是将微弱信号放大的电子装置，叫做放大器或放大电路。它由电子器件（晶体管）、电路元件（电阻、电容等）和电源组成。

放大电路的作用是把微弱的信号加以放大，在输出端输出一个与输入信号一致而幅度增大的信号。

信号放大的实质是用一个小的变化量去控制一个较大的量的变化，使变化量得到放大。常用的简单放大电路是利用晶体管的电流控制作用实现对微弱信号的放大。

放大电路在广播、通信、测量和自动控制中有广泛的应用。例如，收音机、电视机从天线上收到的电信号是很微弱的，必须经过放大电路加以放大才能推动扬声器和显像管工作；在控制机床上，要将反映加工要求的控制信号加以放大；在自动化测量上，通常将温度、压力等待测量的变化通过传感器变换为微弱的电信号，经过放大以后进行处理。

1.7.3 晶体管的输入特性

输入特性曲线是指当集-射极电压UCE为常数时，输入电路（基极电路）中基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线IB=f（UBE），如图1-20所示。

对硅管而言，当UCE≥1V时，集电结已反向偏置，并且内电场已足够大，而基区又很薄，可以把从发射区扩散到基区电子中的绝大部分拉入集电区。如果此时再增大UCE，则只要 UBE保持不变（从发射区发射到基区的电子数不变），IB也就不再明显地减小。就是说，UCE>1V后的输入特性曲线基本上是重合的。所以，通常只画出UCE≥1V的一条输入特性曲线。

由图1-20可见，与二极管的伏安特性一样，晶体管输入特性也有一段死区。只有在发射结外加电压大于死区电压时，晶体管才会出现IB。硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压UBE=0.6～0.7V，PNP型锗管的UBE=-0.2～-0.3V。

1.7.4 晶体管的输出特性

输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路中集电极电流IC与UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线，如图1-21所示。

当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致是一定的。在UCE超过一定数值（约为1V）后，这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成IC，以致当UCE继续增高时，IC也不再有明显的增加，具有恒流性。

当IB增大时，相应的IC也增大，曲线上移，而且IC比IB增加得多得多，这就是晶体管的电流放大作用。

通常把晶体管的输出特性曲线分为三个区。

（1）截止区

IB=0的特性曲线以下与横坐标之间的区域叫做截止区。在这个区域内，IB=0，IC很小，IC=ICEO（ICEO被称为穿透电流）。对于NPN型硅管，当UBE=0时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使UBE<0，即使发射结处于反向偏置。截止时，集电结也处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。

（2）放大区

输出特性曲线的近于水平部分是放大区。当发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置时，对于NPN型管子来说，就是UBE>0.6V（硅管）或UBE>0.2V（锗管），UCE>1V时，晶体管工作于放大状态。放大区也称线性区。在此区，IC几乎与UCE无关，只受 IB的控制，很小的ΔIB就可以引起较大的ΔIC。

（3）饱和区

当UCE<UBE时，集电结和发射结都处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，晶体管失去电流的放大作用。在数字电路中，晶体管常用做开关器件。这时，晶体管就工作在截止区和饱和区。

1.7.5 晶体管的主要参数

（1）电流放大系数、β

电流放大系数是指输出电流与输入电流的比值，是用来衡量晶体管电流放大能力的参数。最常用的是共发射极电路的电流放大系数。由于工作状态的不同，在直流和交流两种情况下，也各有不同的电流放大系数。

共发射极直流电流放大系数是指集电极电流IC与基极电流IB的比值，用表示，即

共发射极交流电流放大系数是指集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比，用β表示，即

在放大区中，≈β。因此，在以后的估算中就不做严格的区分了。

常用小功率晶体管的β值在20～150之间，而且β值与IC有关。IC不同，β值也不同。IC接近于零（截止）或接近于饱和值时，β值都很小。而在放大区中，IC在适当范围内，β值相差不大，估算时可认为不变。

引入β后，晶体管三个电流的关系为

（2）集-基反向截止电流ICBO

ICBO是当发射极开路时，集电结处于反向偏置，集电区和基区中少数载流子的漂移运动所形成的电流。ICBO受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的ICBO为几微安到几十微安，小功率硅管的ICBO在1μA以下。在实际应用中，ICBO越小越好。

（3）集电极-发射极反向截止电流ICEO

ICEO是基极开路、集电结反偏（对NPN型管，集电极接电源正极，发射极接电源负极）时的集电极电流。由于这个电流似乎是从集电区穿过基区流至发射区，所以也称穿透电流，具有很强的热敏性，当温度升高时，ICEO增长很快。所以ICEO越小，晶体管的热稳定性越好。

（4）集电极最大允许电流ICM

集电极电流过大时会引起β下降，当β值下降到正常值的2/3时的集电极电流，称为集电极最大允许电流。作为放大管使用时，IC不宜超过ICM，超过时可引起β值下降，输出信号失真，过大时也会烧坏管子。

（5）集电极-发射极反向击穿电压U(BR)CEO

基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集电极-发射极反向击穿电压。当晶体管的集电极-发射极电压大于此值时，ICEO大幅度上升，说明晶体管已被击穿。电子器件上给出的一般是常温（25℃）时的值。在高温下，其反向击穿电压将要降低，使用时应特别注意。

（6）集电极最大允许耗散功率PCM

由于集电极电流在流经集电结时要产生功率损耗，使结温升高，从而引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的变化不超过允许值时，集电结所消耗的最大功率称为集电极最大允许耗散功率PCM（PCM =UCMIC）。