了解三极管工作原理及应用场景

知识储备

半导体器件是近代电子学的重要组成部分。由于半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、反应迅速、灵敏度高、工作可靠等优点从而得到广泛的应用。

晶体三极管是电子线路的核心元件。在模拟电路中用它构成各种放大器，各种波形产生、变化和信号处理电路；在数字电路中有开关控制作用。半导体三极管（又称晶体管）是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于两个PN结之间的相互影响，使半导体三极管表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大功能，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。

1.三极管的结构

三极管按其结构可分为NPN型和PNP型两类。NPN型三极管的结构与电路符号如图1.30（a）所示。从图1.30（a）中可以看出，它是由两层N型的半导体中间夹着一层P型半导体构成的管子，P型半导体与其两侧的N型半导体分别形成PN结，整个三极管是两个背靠背PN结的三层半导体。中间的一层称为基区，两边的区分别称为发射区和集电区，从这3个区引出的电极分别称为基极b、发射极e和集电极c。基区与集电区之间的PN结称为集电结，发射区与基区之间的PN结称为发射结。发射区的作用是向基区发射载流子，基区是传送和控制载流子，而集电区是收集载流子。NPN型三极管电路符号中，发射极箭头方向表示发射结正偏时发射极电流的实际方向。

PNP型三极管的结构与NPN型相似，也是两个背靠背PN结的三层半导体，不过这种管子是两层P型的半导体中间夹着一层N型半导体，如图1.30（b）所示。

图1.30　晶体管结构示意图和电路符号

（a）NPN型晶体管；（b）PNP型晶体管

应当指出，三极管绝不是两个PN结的简单连接。为了保证三极管具有电流放大作用，三极管制造工艺的特点是发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度很低，集电结结面积大。

2.三极管的分类

三极管的分类有很多种方式。除上述的按结构分为NPN型和PNP型外，还可按所用半导体材料分为硅管和锗管，按工作频率分为低频管和高频管，按用途分为放大管和开关管，按功率大小分为小功率管、中功率管、大功率管等。

3.三极管的偏置

半导体三极管又称双极型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT）、晶体三极管，简称BJT或三极管。为使三极管具有放大作用，必须使发射区发射载流子，集电结（自身不产生电流）收集发射区发射过来的载流子。因此，必须使发射结正偏（导通）、集电结反偏（截止）。符合该要求的NPN型和PNP型三极管的直流偏置电路（也称直流供电电路）如图1.31所示，该电路接法称为共射极（含义后述）接法。外加直流电源UBB通过RB给发射结加正向电压；外加直流电源VCC通过RC给集电极加反向电压，该电压并不等于集电结电压，但由于集电结电压通常较大（指绝对值），足以克服b-e间的发射结导通电压并给c-b间的集电结加一较大的反向电压，从而可以实现发射结正偏、集电结反偏的条件。所以，NPN型三极管工作在放大区时3个极的电位关系是Vc＞Vb＞Ve；PNP型三极管工作在放大区时3个极的电位关系是Vc＜Vb＜Ve。

图1.31　三极管的共射偏置电路

三极管有3个工作区域，分别是放大区、饱和区和截止区。若发射结正偏、集电结反偏，则三极管工作在放大区；若发射结正偏、集电结正偏或零偏，则三极管工作在饱和区；发射结反偏或零偏、集电结反偏，则三极管工作在截止区。

4.三极管的电流分配关系

下面以NPN型管为例讨论三极管的电流分配关系，其结论同样适用于PNP型管。

三极管在放大条件下，即发射结加正向电压、集电结加反向电压的条件下，三极管内部的载流子的传输将发生下列过程。

1）发射区向基区注入电子

由于发射结外加正向电压，发射结导通，因此发射区的多数载流子电子就源源不断地通过发射结扩散到基区，形成发射极电流IE，其方向与电子流动方向相反，如图1.32所示。与此同时，基区的空穴也扩散到发射区，但由于发射区杂质浓度远高于基区（一般高几百倍），与电子流相比，这部分空穴流可忽略不计。

图1.32　NPN型三极管内部载流子的运动

2）电子在基区的扩散与复合

由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，在基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。因此，电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源UBB的正端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流IB，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。也就是说，注入基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。所以为了减小复合，常把基区做得很薄（几μm），并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能到达集电结。

3）集电区收集扩散过来的电子

由于集电结所加的是反向电压，所以结中的电场很强，不过由于处于反偏状态，集电结自身所产生的电流几乎为0，但该电场对从基区中扩散到集电结边缘的电子（来自发射区的电子，进入基区后变为少子）却有很强的吸引力，可使电子迅速漂移过集电结而被集电区所收集，形成由发射区传输到集电区的较大的电子电流，形成集电极电流IC，如图1.32所示。

另外，根据反向PN结的特性，当集电结加反向电压时，基区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用下形成反向漂移电流，如图1.32所示。这部分电流取决于少数载流子浓度，称为反向饱和电流ICBO，它的数值是很小的，这个电流对放大没有贡献，而且受温度影响很大，容易使管子工作不稳定，所以在制造过程中要尽量设法减小ICBO。

由以上分析可知，BJT内有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管。根据上述对三极管内部载流子运动的分析，可以归纳以下几点。

（1）基极电流IB与集电极电流IC之和等于发射极电流IE，即

3个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律。

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

（3）半导体三极管有电流放大作用。

通常，把集电极电流IC与基极电流IB之比值称为共发射极直流电流放大系数，用β表示，即

集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB之比值，称为共发射极交流电流放大系数，用β 表示，即

万用表可以粗略测出管子的β值大小，但结果误差很大，而且管子的其他特性很难确定。

综合上述，要使三极管能起到正常的放大作用，发射结必须加正向偏置，集电结必须加反向偏置。对于PNP型三极管所接电源极性正好与NPN相反。

自测习题

1.填空

（1）三极管各极电流关系是：IE=IB __ IC（+/-），即3个电流间的关系符合_________定律。三极管的电流放大能力用β表示，三极管在放大状态时IC≈_____ IB，表明三极管是一种_______放大型器件。

（2）三极管有3种连接方式，分别是共__________、__________、__________。

（3）三极管的3个工作区域分别是__________、___________、____________。(www.xing528.com)

（4）三极管工作在放大区的条件是发射结__________、集电结__________。对于NPN管，三极管工作在放大区时，各极电位大小为_____＞_____＞_____；对于PNP管，三极管工作在放大区时，各极电位大小为_____＞_____＞_____。

2.分析

（1）用万用表直流电压挡测得电路中的三极管3个电极对地电位为题2（1）图所示，三极管为硅材料，问：

① 三极管是NPN型还是PNP型？

② 在图中括号中标出三极管3个引脚对应哪个极？（e/b/c）

③ 三极管发射结是正偏还是反偏？

④ 三极管集电结是正偏还是反偏？

⑤ 三极管工作状态是放大还是饱和抑或是截止？

题2（1）图

（2）现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如题2（2）图所示。分别求：

① 另一电极的电流大小，标出其实际方向；

② 在图中括号中标出三极管3个引脚对应哪个极？（e、b、c）

③ 判断三极管是NPN型还是PNP型？

题2（2）图

（3）测得放大电路中三极管的直流电位如题2（3）图所示，问：

① 在图中括号中标出三极管3个引脚对应哪个极？（e、b、c）

② 判断三极管是NPN型还是PNP型？

③ 分别说明它们是硅管还是锗管。

题2（3）图

（4）测得在放大状态下的三极管的两个电极电流如题2（4）图所示。

① 试求另一个电极电流大小，并标出电流实际方向。

② 判断C、B、E电极，在图中标出。

③ 判断三极管是NPN型还是PNP型。

题2（4）图

自测习题答案