三极管的工作原理及特性分析

晶体三极管又称为双极性晶体管［以下简称“三极管”（Bipolar Junction Transistor，BJT）］或半导体三极管，它是电子电路中非常重要的元件，是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。三极管最基本的特点是具有放大作用。图8 - 13所示为三极管的几种常见外形。

图8-13　三极管的几种常见外形

1. 三极管的结构及特点

根据结构特点，三极管分为NPN型和PNP型两大类，其结构示意和电路符号如图8 - 14和图8 - 15所示。以NPN型三极管为例，它的中间为基区，是极薄的P型半导体，两侧均为N型半导体，发射区是N + 型半导体，掺杂浓度比另一侧的集电区高。从集电区、基区、发射区所引出的电极相应地称为集电极（c）、基极（b）、发射极（e）。两块不同类型的半导体结合在一起时，其交界处会形成PN结，因此三极管有两个PN结：发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处的PN结称为集电结。

PNP型三极管的结构与NPN型三极管类似，不再赘述。需要注意区别两种类型三极管的电路符号，发射极箭头指向外的是NPN型三极管，发射极的箭头指向内的是PNP型三极管，发射极箭头方向与三极管放大工作时发射极电流的实际流向相同。

图8-14　NPN型三极管

（a）结构示意；（b）电路符号

图8-15　PNP型三极管

（a）结构示意；（b）电路符号

由此可归纳三极管有以下几个结构特点：

（1） 3个区：集电区、基区、发射区；

（2） 两个PN结：集电结、发射结；

（3） 3个电极：集电极（c）、基极（b）、发射极（e）；

（4） 发射区掺杂浓度最高，基区最薄且掺杂浓度最低，集电区比发射区面积大而掺杂较少。

实际上，三极管的发射区和集电区是不对称的，在结构、形状、参杂浓度等方面具有很大的不同，所以不可将发射极与集电极对调使用。

2. 三极管放大的条件

三极管有4种工作状态，见表8 - 1。人们需要的是晶体管的放大作用，也就是发射结正偏，集电结反偏。

表8-1　三极管的4种工作状态

以NPN型三极管为例，发射结正偏，发射区（N区）电子不断向基区（P区）扩散，形成发射极电流IE。进入P区的少部分电子与基区的空穴复合，形成电流IB；多数电子则扩散到集电结。从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。如图8 - 16所示，三极管中3个电极的电流之间应该满足节点电流定律，即

实际上IB极小，在实际工程中可忽略不计，即

图8-16　NPN型三极管中电流示意(https://www.xing528.com)

PNP型三极管的放大原理与NPN型三极管基本相同。但是，由于PNP型三极管的发射区和集电区是P型半导体，而基区是N型半导体，所以，在由PNP型三极管组成的放大电路中，为了保证发射结正向偏置，集电结反向偏置，以便使三极管工作在放大区，应使UC＜UB＜UE，正好与NPN型三极管相反。

3. 三极管工作的3种组态

电路往往是四端网络，而三极管只有3个引脚，此时三极管必然会有某一个引脚既用作输入也用作输出。因此，三极管的3种组态称为共集电路、共基电路、共射电路，分别对应3种引脚作为输入、输出共用的情况。其中放大器的地线是电路中的共用参考点，所以三极管的这根引脚应该交流接地，一般根据接地引脚就可判断放大器的类型。

3种放大器工作的前提条件是保证电路工作在放大区，即发射结正偏，集电结反偏。

1） 共射电路

图8 - 17所示为共射电路示意，它对电流和电压都有放大作用。

2） 共基电路

图8 - 18所示为共基电路示意，它对电压有放大作用，对电流几乎没有作用。

图8-17　共射电路示意

图8-18　共基电路示意

3） 共集电路

图8 - 19所示为共集电路示意，它对电流有放大作用，对电压没有作用。

4. 三极管的输出特性

三极管为三端器件，在电路中构成四端网络，它的每对端子均有两个变量（端口电压和端口电流），因此要在平面坐标上表示三极管的伏安特性，就必须采用曲线簇。本书主要介绍共射特性曲线。

共射极连接时，输出特性通常是指在输入电流Bi为一常量时，三极管的集电极与发射极之间的总电压uCE同集电极总电流Ci的关系。其输出特性曲线如图8 - 20所示。根据外加电压的不同，整个曲线簇可划分为4个区：放大区、截止区、饱和区和击穿区。

图8-19　共集电路示意

图8-20　三极管的输出特性曲线

1） 放大区

三极管工作在放大模式下时，其特征是发射结正偏，集电结反偏，即uBE≥UD ，uBC ＜0。此时特性曲线表现为近似水平的部分，而且变化均匀，表示iC几乎仅取决于iB。在调节放大状态的时候，注意集电结上的反向偏压不要过大，否则会进入击穿区，使三极管损坏。

2） 截止区

截止区的特征是发射结小于开启电压且集电结反向偏置，即uBE＜UD ，u BC＜0。此时iB=0，iC≈0，如图8 - 20中阴影部分所示。由于三极管的各级电流基本上都等于零，所以三极管处于截止状态，没有放大作用。

3） 饱和区

三极管工作在饱和区时uBE≥UD ，u BC＞0，即发射结与集电结均正偏，该区域内三极管失去了放大作用，如图8 - 20中靠近纵坐标轴的区域，各条输出特性曲线的上升部分属于三极管工作在饱和区的状态。