三极管基础知识：结构、特性及参数

1.三极管简介

三极管的发明是电子技术发展史上的重要里程碑，有了三极管才有了真正意义上的基于元器件的放大。最早出现的电子器件是真空电子器件，看上去像灯泡，外壳是透明玻璃，里面有发光发热的电极，体积很大，很费电，被称为真空三极管或电子三极管（Triode）。随着半导体技术的出现和发展，绝大多数真空电子器件都被逐渐淘汰了，新出现的三极管称为半导体三极管，也称双极型三极管，一般简称为三极管（BJT）。

三极管是实现用微弱电流控制大电流的器件，可以用来放大电流信号，是电子电路的核心器件。三极管在结构上具有两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，两种结构对应两种电路符号，结构示意图和电路符号如图1.65所示。

图1.65　两种三极管的结构示意图和电路符号

图中的B为基极、C为集电极、E为发射极。和二极管类似，符号中的箭头方向是从P型半导体指向N型半导体，代表了工作电流的方向。三个引脚的字母可以大写，也可以小写，一般在大写电压或电流字母时，大写引脚的下标表示直流量，如UE、IE，小写下标表示交流有效值，如Ue、Ie；在小写电压或电流字母时，大写下标表示总瞬时值（包含直流分量和交流分量），如uE、iE，小写下标表示交流分量的瞬时值，如ue、ie。

如果将三极管看作一个节点，根据电路知识可知，三极管三个引脚的电流和为0，即

iE＝iB＋iC

对于三极管来说，这个公式是普遍适用的。

三极管分类方式很多，除了按结构分为NPN和PNP两种之外；还可按材质分有硅管和锗管两种；按功能分有开关管、功率管、达林顿管和光敏管等；按功率分有小功率管、中功率管和大功率管等；按工作频率分有低频管和高频管等；按结构工艺分有插件三极管和贴片三极管等。

2.三极管的伏安特性曲线

在使用三极管时，输入信号总是加在基极和发射极之间，描述输入信号电压和电流关系的特性曲线称为输入伏安特性曲线，简称为输入特性曲线。

三极管的输入特性曲线如图1.66所示，uCE对输入特性有影响，当uCE＝0时，输入特性与二极管一样，iB随着uBE的增大快速增大，成指数关系，硅管导通压降为0.5～0.7V，锗管导通压降为0.1～0.3V。当uCE增大时，特性曲线向右移动，导通电压有所增大，曲线样子差别不大。

三极管的输出伏安特性曲线是指集电极和发射极之间的电压和电流的关系，如图1.67所示，三极管的输出特性受基极电流IB的影响非常大，从图中可以看出，不同IB对应不同的曲线。因为IB可以取一定区间之内的无穷多数值，所以特性曲线是无法完美画出来的，只能取一些典型值进行示意。

根据三极管输出特性曲线的特点，可以将其划分为三个区：截止区、放大区和饱和区。当IB＝0时为截止区。在截止区内，iC随uCE的增大而略有增加，但是总的来说电流非常小，经常可以忽略不计，这时候三极管的三个引脚电流全为0。

在放大区，iC随uCE的增大略有增加，但是增加得不明显，很多时候可忽略这个增加值。在放大区iC非常大，是iB的若干倍，这个倍数一般被称作共发射极交流电流放大系数，常用β表示：

图1.66　三极管输入特性曲线

图1.67　三极管输出特性曲线

β是三极管的一个重要参数，大小与数据手册里的hFE相同。β的范围一般是几十到几百，量纲为1。在放大区，β比较稳定，在iC和uCE变化不大的时候，可以认为β基本不变，这是用三极管进行小信号放大时将β作为常数的前提条件。需要注意的是，在放大区不同的位置，β的大小有所不同，并不是固定值。也就是说，对于大信号放大而言，β并不是常数。若承认电流放大系数β在整个图1.67中不同位置的数值不同，则公式

iC＝βiB

在整个输出特性曲线范围内都是成立的。

在饱和区，iC的增大速度跟不上iB的速度。也就是说，在饱和区的电流放大系数比较小。在深度饱和的时候，三极管的电流放大作用显得也非常小。如果基极电位过高（NPN管），那么三极管的电流会变得像两个二极管的一样。当然，一般基极电位总是低于集电极电位的（NPN管）。在饱和时，UCE很小，通常用UCES表示饱和管压降，一般小功率三极管有：

UCES＜0.4V

估算时常取UCES＝0.3V。

3.三极管的主要参数

描述三极管电流放大能力的参数除了共发射极电流放大系数β，还有共基极交流放大系数α：

α和β之间的关系为

需要说明的是，三极管的直流放大系数和交流放大系数大小近似相等。在计算时，交流放大系数和直流放大系数都可以使用α、β进行计算。

特征频率fT是反映三极管中两个PN结的电容效应对放大性能影响的参数。当信号的频率增高到一定程度后，PN结电容效应逐渐显露，电流放大系数会逐渐下降，频率越高，β越小。fT是指β下降到1时的频率。也就是说，fT等同于三极管的增益带宽积。

集－基反向饱和电流ICBO是指发射极开路、在集电极与基极之间加上一定的反向电压时，所产生的反向电流。在一定温度下，ICBO是一个常量。随着温度的升高，ICBO将增大，它是三极管工作不稳定的主要因素。在相同环境温度下，硅管的ICBO比锗管的ICBO小得多。

穿透电流ICEO是指基极开路、集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。该电流好像从集电极直通发射极一样，故称为穿透电流。ICEO和ICBO一样，也是衡量三极管热稳定性的重要参数。

三极管的极限参数是指容易导致三极管损坏、失效的参数。其主要有集电极最大允许功率损耗PCM、集电极最大电流ICM和反向击穿电压。

集电极最大允许功率损耗取决于三极管的温度和散热条件，硅管的上限温度约为150℃，锗管约为70℃。如果三极管产生热量的速度超过散热的速度，就会造成温度升高，当温度升高到上限温度时，三极管就会损坏。因为集电极功率PC直接代表热量产生的速度，所以，在使用三极管时，不仅要考虑PCM，同时还要考虑散热是否良好。其中的关键在于三极管工作时的实际最高温度一定要低于上限温度。

三极管的电流放大系数β与集电极电流IC有关，在很大的IC变化范围内，β基本不变，但是当IC大于ICM后，β将明显下降。IC大于ICM并不会直接导致三极管损坏，但是容易导致PCM过大造成三极管损坏。

反向击穿主要是指三极管内部的PN结被过高的反向电压击穿，因为三极管内部有两个PN结，三个引脚，所以衡量反向击穿的电压参数比较多，有集电极开路时的射－基极间反向击穿电压U（BR）EBO、发射极开路时的集－基极间反向击穿电压U（BR）CBO、基极开路时的集电极－发射极间反向击穿电压U（BR）CEO等，其中U（BR）CEO的数值比较小。

由极限参数确定的三极管安全工作区，如图1.68所示。

图1.68　三极管安全工作区

实际操作：三极管的识别与检测

1.三极管型号

中国、美国、日本和欧洲各地对三极管型号的命名各有不同，命名方式繁多，具体型号的参数需查阅数据手册。中国的半导体器件型号由五部分（场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分）组成。

第一部分：用数字表示半导体器件有效电极数目：2表示二极管，3表示三极管。

第二部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。表示二极管时，A为N型锗材料，B为P型锗材料，C为N型硅材料，D为P型硅材料；表示三极管时，A为PNP型锗材料，B为NPN型锗材料，C为PNP型硅材料，D为NPN型硅材料。

第三部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的类型。P为普通管，V为微波管，W为稳压管，C为参量管，Z为整流管，L为整流堆，S为隧道管，N为阻尼管，U为光电器件，K为开关管，X为低频小功率管（f＜3MHz，PC＜1W），G为高频小功率管（f＞3MHz，PC＜1W），D为低频大功率管（f＜3MHz，PC＞1W），A为高频大功率管（f＞3MHz，PC＞1W），T为半导体晶闸管（可控整流器），Y为体效应器件，B为雪崩管，J为阶跃恢复管，CS为场效应管，BT为半导体特殊器件，FH为复合管，PIN为PIN型管，JG为激光器件。

第四部分：用数字表示序号。

第五部分：用汉语拼音字母表示规格号。例如，3DG18表示NPN型硅材料高频三极管。

2.三极管外观(www.xing528.com)

三极管根据功能和功率的不同有多种外观，小功率三极管常采用塑封的方法，外形如同被切平一面的圆柱，有三个引脚，外形如图1.69（a）所示。切平的一面标有型号，面对标有型号的平面，从左往右，引脚排列为1、2、3的顺序，引脚排列序号如图1.69（b）所示。需要注意的是，具体哪个序号对应哪个极是需要查找数据手册或者实际测试的，没有统一的规律。90系列三极管是按照引脚序号对应E、B、C的顺序排列的，与图1.69（b）相同。

图1.69　小功率塑封三极管

中功率的三极管常采用带散热片的塑封方式，如图1.70所示。中功率塑封管的引脚比较粗，后边有金属片，金属片上的圆孔为安装孔，用于将三极管固定在散热片上。在工作功率很小时，中功率塑封管可以单独使用而不必加装散热片，但是，要达到额定功率，就必须按照数据手册的要求安装规定大小的散热片。中功率塑封管的型号也标注在正面的塑料上，目视标注的型号时，引脚号的排列也是从左往右分别为1、2、3。

大功率三极管通常采用金属壳，型号标注在金属壳上，如图1.71所示。这种大功率金属壳三极管的外壳就是集电极C，所以只有B和E两个针状引脚。金属壳便于散热，同时金属壳上面还有用于安装散热片的圆孔。这种大功率三极管都是需要配备散热片使用的，在有些大功率场合，需要的散热片比较大，为节省体积和减轻重量，往往将大功率三极管用螺丝直接固定在设备的金属外壳上，利用设备的金属外壳散热。

表贴三极管通常功率很小，体积也很小，标注在塑封外壳上的型号往往需要用放大镜才能看清楚，外观如图1.72所示。表贴三极管只有一个引脚的那侧是集电极。

图1.70　中功率塑封管

图1.71　大功率金属壳三极管

图1.72　表贴三极管

3.用万用表检测三极管

用万用表检测三极管首先应该注意万用表是数字万用表还是指针式的模拟万用表，这两种万用表的表笔连接内部电池的方式不同，数字万用表的红表笔连接的是内部电池的正极，指针式模拟万用表的红表笔连接的是内部电池的负极，正好相反。由于数字万用表已经普及应用，本书以数字万用表为例进行检测三极管的说明。

用万用表检测三极管主要有两种场景，一种是设备调试或维修时怀疑某三极管损坏，在线路板上进行初步检测，一种是对拆下来的或者尚未安装的三极管进行检测。在线路板上的检测以测量三极管内部两个PN结是否还具有单向导电性为主，如果两个PN结都有单向导电性，可以初步排除损坏的怀疑，如果有PN结失去了单向导电性，那么需要将三极管拆卸进行进一步检测。对于拆下来的三极管，除了测试PN结是否具有单向导电性外，还可以利用万用表的hFE挡位来进一步测量三极管电流放大系数β。

用万用表测试三极管时，首先将万用表打到二极管挡位，用万用表的红表笔接触三极管的某一个引脚，而用万用表另外的那支表笔分别去测试其余的引脚，有导通压降则说明红表笔接的是P型半导体，而此时黑表笔接的是N型半导体。直到测试出三个引脚连接的分别是P型半导体还是N型半导体，就可以知道三极管是NPN还是PNP结构了。

如果三极管的黑表笔接其中一个引脚，而用红表笔测其他两个引脚都导通有电压显示，那么此三极管为PNP三极管，且黑表笔所接的脚为三极管的基极B。在用上述方法测试时，其中万用表的红表笔接其中一个脚的电压稍高，那么此脚为三极管的发射极E，剩下的电压偏低的那个引脚为集电极C。

如果三极管的红表笔接其中一个引脚，而用黑表笔测其他两个引脚都导通有电压显示，那么此三极管为NPN三极管，且红表笔所接的脚为三极管的基极B。在用上述方法测试时，其中万用表的黑表笔接其中一个脚的电压稍高，那么此脚为三极管的发射极E，剩下的电压偏低的那个引脚为集电极C。

用万用表二极管挡位直接测量三极管的集电极和发射极，两者是不通的。

很多数字万用表都有hFE挡位，可以用来帮助判断引脚是集电极C还是发射极E。在用万用表二极管挡位确定了三极管的基极和管型后，将三极管的基极按照基极的位置和管型插入到三极管测量孔中，其他两个引脚插入到余下的三个测量孔中的任意两个，观察显示屏上数据的大小，交换位置后再测量一下，观察显示屏数值的大小，反复测量四次，对比观察。以所测的数值最大的一次为准，该数值近似等于三极管的电流放大系数β，此时对应插孔标示的字母即是三极管的实际电极名称。

需要说明的是，用万用表检测三极管具有很大的局限性，不能很好地测试三极管的伏安特性曲线，用三极管特性图示仪可以较好地实现三极管伏安特性曲线的测量。

4.用三极管图示仪检测三极管

三极管特性图示仪简称为三极管图示仪，可用来测定三极管的共集电极、共基极、共发射极的输入特性、输出特性、转换特性、α和β参数特性；可测定各种反向饱和电流ICBO、ICEO、IEBO和各种击穿电压等；还可以测定二极管、稳压管、晶闸管、场效应管的伏安特性，用途广泛。

三极管图示仪外观，如图1.73所示。

图1.73　三极管图示仪外观

使用三极管图示仪时，应打开电源开关预热10min，然后进行测试。

测试前，先通过“辉度”调节旋钮把仪器显示屏中的光线亮度调至适当状态，但不宜过亮；通过“聚焦”和“辅助聚焦”旋钮尽量把光线调至细小、清晰，以提高读值时的准确性；通过上下和左右移动旋钮把光线调到屏幕最底水平线的中间位置，且与最底线重合，以方便测试时读值。

按照待测三极管的测试条件要求，结合仪器面板的相关旋钮、按键，设定好相关测试条件。把待测三极管对应极性地插到测试夹具上的端口，测试三极管输出特性曲线时，仪器显示类似图1.74所示的图形。

因为三极管的电流放大系数β约等于IC/IB，所以必须要读出IC值和IB值后才能计算出放大倍数，而仪器面板上的“电流/度”旋钮所设定的就是IC每格的值，“电流－电压/级”旋钮设定的就是IB每级的值。IC值是看图形的纵坐标格数来读取的，IB值则是看波形的级数来读取的，假设以图1.74所示测试波形为例：“电流/度”旋钮设定的值是10mA，“电流－电压/级”旋钮设定的值是1mA，通过上图波形可看出，波形所占据的纵坐标格数是3.4格，波形的级数是2级，因此放大倍数计算如下。

β≈IC/IB＝（10mA×3.4格）÷（1mA×2级）＝34mA÷2mA＝17

测试时需要注意：待测管不要插错引脚，以免损坏器件。另外，测试时如果所加电压和电流过大，也可能损坏被测器件。

仿真软件中也有类似三极管图示仪的设备，称为Ⅳ分析仪，测试电路如图1.75所示，Ⅳ分析仪显示界面如图1.76所示。

从Ⅳ分析仪读取数据计算β值时，应借助鼠标。先将鼠标移动到需要测量β值的位置，右击鼠标，选择“选择光迹”，如图1.77所示。

图1.74　三极管图示仪显示的三极管输出特性曲线

图1.75　仿真软件测试三极管伏安特性曲线

图1.76　Ⅳ分析仪显示界面

然后在弹出的选择框中选择对应的光迹，I＿b后面括号中的数值为光迹所对应的电流iB大小，记为iB　1，如图1.78所示。

图1.77　右击鼠标

图1.78　进行光迹选择

读出此时iC的数值，记为iC1。然后改变光迹再测量一次，分别记为iB　2和iC　2，用公式

计算，即可得β值。

用Ⅳ分析仪也可以测试三极管输入伏安特性曲线，测试方法与二极管一样，也需要设置合适的参数，如图1.79所示。

图1.79　Ⅳ分析仪测试输入特性