双极型晶体管（三极管）的特点和应用

双极型晶体管简称三极管，其分类有：

（1）按频率分：高频管、低频管。

（2）按功率分：大功率管、中功率管、小功率管。

（3）按材料分：硅管、锗管。

（4）按结构分：NPN 型、PNP 型。

1.基本结构

三极管是由两个PN 结组成，根据组合的方式不同，可分为NPN 型和PNP 型两种，其结构示意图和图形符号如图 7.1 所示。

图7.1　三极管的结构示意图和图形符号

1）结构示意图的基本概念

三极管的结构是由三个导电区、三个电极和二个PN 结组成。

三个导电区：基区、发射区和集电区称为三极管的三个导电区。

三个电极：由三个导电区域引出三个电极，分别称为基极B、发射极E 和集电极C。

二个PN 结：导电区域之间形成PN 结，即基区和发射区之间的PN 结称为发射结，基区和集电区之间的PN 结称为集电结。

2）三个导电区的特点

基区：起控制载流子的作用。掺杂浓度很低，做得很薄，一般仅为几个微米到几十微米。

发射区：起发射载流子的作用。掺杂浓度比基区大得多。

集电区：起收集载流子的作用。掺杂浓度比发射区小，尺寸较大。所以发射极和集电极是不能互换的。

2.连接方式

三极管有三个电极，任选其中一个电极为公共电极时，可组成三种不同的连接方式，分别称为：共基极、共发射极、共集电极，如图7.2 所示。

图7.2　三极管的三种连接方式

三种连接电路虽各具特点。无论采用哪种接法，无论是哪一种类型的三极管，其工作原理是相同的。

3.特性曲线及工作状态

1）伏安特性曲线

三极管伏安特性曲线是指三极管各电极之间电压和电流的关系曲线。其特性曲线直观的表达出管子内部的物理变化规律，描述出管子的外特性。下面以共发射极电路（见图7.3）为例，讨论三极管的输入、输出特性曲线。

图7.3　三极管特性曲线测试电路图

图7.3 所示电路中，电压UBE称为发射结电压，电压UCB称为集电结电压，电压UCE称为集-射极电压，电流IB称为基极电流，电流IC称为集电极电流，电流IE称为发射极电流，电阻 W1、W2称为可调电位器。

集-射极电压UCE的大小可通过调节图7.3 中的可调电位器W2来实现；基极电流IB的大小可通过调节图7.3 中的可调电位器 W1，改变发射结电压UBE来实现。

a）输入特性曲线

输入特性曲线：指当集-射极电压UCE为常数时，基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线族[见图 7.4（a）]，即

（a）当式（7.1）中集-射极电压UCE取不同的电压值时，将得到不同的输入特性曲线。

如图7.4（a）所示曲线中，当式（7.1）中集一射极电压UCE≥1 V 时，集电结电压UCB所产生的PN 结内电场，把绝大部分从发射区扩散到基区的载流子拉入集电区。因此，在相同的发射结电压UBE下，由于从发射区发射到基区的电子数基本相同，即使继续增大集-射极电压UCE，对基极电流IB的影响也不大，故集-射极电压UCE≥1 V 的输入特性曲线基本上是重合的。

（b）死区电压。

输入特性曲线描述的是一个PN 结（发射结）的正向特性，所以其输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似，也存在一段“死区”，这时的三极管工作在截止状态（即基极电流IB≈0）。只有当外加电压大于死区电压（即发射结死区电压UBE）时，三极管的基极电流 IB﹥0。

为了方便学习讨论，本教材指定在正常工作时，NPN 型硅管的发射结死区电压UBE为0.6～0.7 V；PNP 型锗管的发射结死区电压UBE为－0.2～－0.3 V。

图7.4　共发射极电路的三极管输入、输出特性曲线

b）输出特性曲线

输出特性曲线：指当基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线族[见图 7.4（b）]，即

如图7.4（b）所示的是以基极电流IB为变量的一组特性曲线，下面以基极电流 IB1=40 μA的曲线为例展开讨论。

（a）饱和状态。

当调节图7.3 中的可调电位器W2，使式（7.2）中集-射极电压UCE=0 V，因集电极无收集从发射区发射到基区的电子作用，集电极电流IC=0。当集-射极电压UCE微微增大时，发射结虽处于正向电压之下（即UBE﹥0），但集电结电压UCB很小（例如：UCE< 1 V，UBE=0.7 V；UCB=UCE–UBE≤0.3 V），集电区收集电子的能力很弱，此时，集电极电流IC主要由集-射极电压UCE决定，随着集一射极电压UCE的增加而增加，其变化规律如图7.4（b）所示的饱和区。当三极管工作在饱和区时，称为管子工作在饱和状态。

（b）放大状态。

三极管进入饱和区后，继续增大集-射极电压UCE（即增加集电结电压UCB），当式（7.2）集-射极电压UCE>1 V 时，基区中的电子绝大部分被集电区收集；如果再继续增高集-射极电压UCE，集电极电流IC也不会有明显的增加，特性曲线基本与集-射极电压UCE轴平行，如图7.4（b）所示的放大区，其三极管在放大区的工作状态称为放大状态，又称为三极管的恒流特性。

三极管工作在放大状态下的基本条件：发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。

（c）电流放大特性。

当基极电流IB增大时，集电极电流IC随之增大，曲线上移，且集电极电流IC比基极电流IB增加多得多，如图7.4（b）所示基极电流 IB是微安级增加，集电极电流 IC则是毫安级的增加，其关系为

其中，β 称为交流电流放大系数，上式显示了三极管的电流放大作用，所以，称三极管为电流放大器件。

2）工作状态

根据不同的外加结电压UBE、UCB，三极管的工作状态有所不同，其工作状态有三种，即饱和状态、放大状态和截止状态；三种工作状态对应输出特性曲线的三个工作区，下面讨论三个工作区的电压、电流特性。

a）饱和区

如图7.4（b）所示饱和区中集电极电流IC受集-射极电压UCE控制，该区域内UCE较小，一般UCE＜0.7 V（硅管），三极管没有放大作用。其饱和状态的电压、电流特点为

电压条件：发射结、集电结均为正偏。

临界饱和：UCES≈0.3 V 或UCES≈0 V（注：变量下标“S”表示其电量是临界饱和值）。

电流关系：集电极电流IC基本上不受基极电流IB控制，即 IC≠βIB，IB﹥IBS。

b）放大区

如图7.4（b）所示放大区中集电极电流IC基本平行于UCE轴，称为线性区。其放大状态的电压、电流特点为(www.xing528.com)

电压条件：发射结正偏，集电结反偏。

电流关系：IC=βIB，即集电极电流IC与基极电流 IB成正比关系。并且0 ﹤IB﹤IBS。

c）截止区

如图7.4（b）所示截止区中基极电流 IB≈0，其截止状态的电压、电流特点为

电压条件：发射结反偏。

电流关系：IB≈0，IC≈0，三极管C、E 之间相当于开路，失去电流放大作用。

分析放大电路时，常根据三极管的结偏置电压的大小和管子的电流关系判定工作状态。在实验中则通过测定三极管的极间电压判定工作状态。

【例7.1】 在如图7.5 所示电路中，已知所有的二极管、三极管均为硅管，即PN 结正偏电压为0.7 V，放大系数β=60。试分析各三极管的工作状态。

图7.5　例7.1图

分析：

（1）首先判断三极管发射结是否反偏，如果反偏，工作状态为截止状态。

（2）发射结正偏，但UBE﹤死区电压，工作状态为截止状态。

（3）发射结正偏，UBE≥死区电压，则通过基极电流 IB判断，即计算临界饱和电流IB﹥IBS时为饱和状态；0 ﹤IB﹤IBS时为放大状态。

解 （1）求解图（a）。

因NPN 型三极管的基极电压为负电压（即－1 V），发射结反偏，即UBE=-1 V ﹤0，所以，三极管工作状态为截止状态。

（2）求解图（b）。发射结正偏

即UBE﹤0.7 V，三极管工作状态为截止状态。

（3）求解图（c）。

发射结正偏（UBE≥0.7 V ），集电结反偏（UBC﹤0）。设临界饱和UCES=0 V，则临界饱和电流为

设三极管工作在放大状态区，则有

即 IB﹥IBS，三极管工件状态为饱和状态。

（4）求解图（d）。

发射结正偏，集电结反偏。设三极管临界饱和电压为UCES=0 V，则

如设：晶体管工作在放大状态区，则有

即 IB﹤IBS，三极管工件状态为放大状态。

【例7.2】 用万用表测得工作在放大状态下的三极管的3 个极（见图7.6 所示）对地电位分别为：V1＝－7 V，V2＝－2 V，V3＝－2.7 V，试判断此三极管的类型和引脚名称。

分析：已知三极管工作在“放大状态”，则说明三极管发射结正偏，集电结反偏，介于中间电位值的对应管脚为基极B；根据锗管UBE为0.2～0.3 V、硅管UBE为0.6～0.7 V，确定发射极E

管脚；再根据放大状态下，NPN 型管的UBE＞0，PNP 型管的UBE＜0，判断三极管的类型。

解　已知三个管脚电位关系为

则管脚3 为基极B。又因

则管脚2 为发射极E，管脚1 集电极C；由于

则三极管类型为PNP 型硅管。

图7.6　例7.2图

4.主要参数

三极管的特性除了用特性曲线的直观方式表达外，还可以用参数来说明。参数是表征管子性能和使用范围的，不注意就会使管子的工作不满足要求，甚至损坏管子。晶体管的主要参数有下面几个。

1）电流放大系数

当无输入信号时，晶体管接成共射极电路，其集电极直流电流IC与基极直流电流IB的比值称为共发射极直流电流放大系数（手册上用hFE表示），即

在共发射极电路中，当集-射极电压UCE为常数时，集电极流的变化量∆IC与基极电流变化量∆IB的比值称为晶体管的共发射极交流放大系数β（手册上用hfe表示），即

从定义上来看，和β 是不相同的，但在输出特性曲线近于平行的情况下，两者数值较为接近，所以常用≈β 这个近似关系进行估算。选择晶体管时，应注意选择β 值的大小，β 值太小，管子的电流放大能力差；β 值太大，管子的热稳定性较差。通常小功率管以 100 左右为宜。

2）集-基极反向饱和电流ICBO

ICBO是由于集电结处于反向偏置，集电区和基区少数载流子的漂移运动所形成的电流。因此ICBO受温度的影响较大。在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管在 1 μA 以下。ICBO越小温度移稳定性越好，所以很多场合选用硅管。

3）集-射极反向电流（穿透电流）ICEO

ICEO是指当晶体管基极开路（IB=0）、集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时的集电极电流。

4）集电极最大允许电流ICM

集电极电流IC超过一定值时，电流放大系数β将有明显下降，当β值下降到正常数值的2/3时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。在使用晶体管时，IC超过了ICM并不一定会使管子损坏，只不过使β值减小而已。

5）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，集电结消耗较大的功率，产生的热量结温升高，从而会引起晶体管参数的变化。当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率PCM。

PCM值还与环境温度有关，因此三极管还受使用温度的限制。也就是说受结温的限制，通常锗管允许结温约为 70～90 °C，硅管约为 150 °C。对于大功率三极管，常用加装散热片的方法来提高PCM值。

6）集-射极击穿电压BU（BR）CEO

在常温（25°C）下，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-射极击穿电压BU（BR）CEO，如果集-射极电压UCE大于BU（BR）CEO时，三极管的集电极电流将变得很大，产生击穿现象，管子性能变坏，甚至损坏。三极管如果工作在高温下，其BU（BR）CEO值将要降低，使用时应特别注意。