认识三极管的导电特性及应用细节

放大电路是模拟电子技术学习的一个核心内容，构成放大电路的基本器件是半导体三极管，它具有双极型和单极型两种类型。双极型半导体三极管通常简称晶体管、BJT（BipolarJunctionTransistor）等，它有空穴和自由电子两种载流子参与导电，故称为双极型半导体三极管；单极型半导体三极管通常称为场效应管，简称FET（Field EffectTransistor），是一种用电场效应控制输出电流的半导体器件，它由一种载流子（多子）参与导电，故称为单极型半导体三极管。

三极管在电路中主要起放大和开关的作用，在电视机、录音机、手机等电子产品中被广泛应用，合理使用三极管对电子产品的质量至关重要。本任务学习三极管的结构、工作原理、特性曲线、主要参数。

（1）完成三极管外特性的测试和特性描述。

（2）认识三极管的基本导电特性、放大原理与放大条件、输入输出特性曲线和主要电气参数。

任务要求

按测试步骤完成所有测试内容，并对测试数据进行比较分析。

测试环境

双直流稳压电源一台，万用表两只，面包板一块，三极管等元器件若干。

测试电路

测试电路如图1-24 所示。图1-24 中，RB为100kΩ，RC为1kΩ，V 为三极管9013。

图1-24　电流分配关系测试图

测试步骤

（1）按图1-24接好电路，在基极回路中串接μA 表，在集电极回路中串接mA 表。

（2）调节EC，用万用表测得EC为12V。

（3）调节EB，使IB分别为表1-2中数据，测出IC，并将结果填入表1-2中。

表1-2　电流分配关系测试结果

结论：β值在IB适当范围内是一个_________；当IB很小时，IC≈_________；当IC较大时，IC≈________。

三极管根据其结构和工作原理的不同可以分为双极型和单极型两种。双极型三极管（简称BJT）的 “双极”的意思：因为它在工作时，半导体中的电子和空穴两种载流子都起作用。顾名思义，单极型三极管是因为它在工作时，半导体中的电子和空穴只有一种载流子起作用。

双极型半导体三极管又称为双极型晶体三极管或三极管、晶体管等，它是通过一定的工艺，将两个PN 结结合在一起的器件。由于PN 结之间的相互影响，使BJT 表现出不同于单个PN 结的特性而具有电流放大作用，因此使PN 结的应用发生了质的飞跃。

常见小功率三极管的外形如图1-25所示。

图1-25　常见小功率三极管的外形

一、三极管的结构与类型

三极管是由两个PN 结、3个杂质半导体区域和3个电极组成的。因为杂质半导体有P型、N 型两种，所以三极管的组成形式有NPN 型和PNP型两种，其结构与符号如图1-26所示。

图1-26　三极管的结构与符号

不管是NPN 型还是PNP型三极管，3个区分别称为基区、发射区、集电区，从这3个区引出的电极分别称为基极b（B）、发射极e（E）和集电极c（C）。发射区与基区之间的为发射结Je，集电区与基区之间的为集电结Jc。

当然，半导体三极管绝不是两个PN 结的简单连接，它的工艺特点是：①发射区杂质浓度高；②基区很薄且杂质浓度低：③集电结结面积大。这3个特点保证了半导体三极管具有较好的电流放大作用。

三极管按结构可分为NPN 管和PNP 管；按其适应的工作频率可分为高频管和低频管；按功率大小可分为小、中、大功率管；按材料不同可分为硅管、锗管。大功率管经常只有两个电极（B极和E 极）引出，另一个电极（C 极）是外壳；而有些高频管、开关管，引出4个电极，其中有一个电极为接地屏蔽用。

二、三极管的电流放大作用

放大是对模拟信号最基本的处理。在生产实际和科学实验中，从传感器获得的电信号都很微弱，只有经过放大后才能做进一步的处理，或者使其具有足够的能量来推动执行机构。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。在电子线路中，放大有两方面的含义。

（1）放大的对象是变化量，如扩音机待放大的对象是不断变化的各种音频信号。

（2）电路的输出电压或电流的变化量大于输入电压或电流的变化量。放大的结果是输出端的能量大于输入端的能量，这体现了对能量的一种控制作用。

三极管要实现放大作用必须满足的外部条件：发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压，即各极电位关系对于NPN型为VC＞VB＞VE，对于PNP型为VE＞VB＞VC。

（一）基本共射极放大电路

为了理解三极管的工作原理，先来简单介绍一下基本共射极放大电路。由于NPN管和PNP管的结构对称，工作原理完全相同，因此下面以NPN 管为例，讨论三极管的基本工作原理。

图1-27所示为基本共射极放大电路，ΔuI为输入电压信号，它接入基极-发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极—发射极回路，称为输出回路。由于发射极是两个回路的公共端，因此该电路称为共射极放大电路。因为晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置，所以在输入回路应加基极电源VBB；在输出回路应加集电极电源VCC。VBB和VCC的极性应如图1-27所示，且VCC大于VBB。晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。下面从内部载流子的运动与外部电流的关系上来做进一步的分析。

图1-27　基本共射极放大电路

（二）三极管内部载流子的运动

当图1-27所示电路中ΔuI=0时，晶体管内部载流子运动示意图如图1-28所示。

图1-28　三极管内部载流子的运动与外部电流

1.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE

因为发射结加正向电压，以及发射区杂质浓度高，所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区。与此同时，空穴也从基区向发射区扩散，但由于基区杂质浓度低，因此空穴形成的电流非常小，近似分析时可忽略不计。可见，扩散运动形成了发射极电流IE。

2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB

晶体管内部载流子运动与外部电流由于基区很薄，杂质浓度很低，集电结又加了反向电压，因此扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，其余部分均作为基区的非平衡少子到达集电结。又由于电源VBB的作用，电子与空穴的复合运动将源源不断地进行，形成基极电流IB。

3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC

由于集电结加反向电压且其结面积较大，因此基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区，形成漂移电流。与此同时，集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动，但它的数量很小，近似分析时可忽略不计。可见，在集电极电源VCC的作用下，漂移运动形成集电极电流IC。

（三）三极管的电流分配关系

假设由发射区向基区扩散所形成的电子电流为IEN，基区向发射区扩散所形成的空穴电流为IEP，基区内复合运动所形成的电流为IBN，基区内非平衡少子（即发射区扩散到基区但未被复合的自由电子）漂移至集电区所形成的电流为ICN，平衡少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流为ICBO，如图1-28所示标注，则

从外部看，

当三极管满足放大条件时，在其基极给定一个电流IB时，其集电极电流IC会有明显的增大，应为βIB，其中β为三极管的电流放大倍数，它的大小取决于基区中载流子扩散与复合的比例关系。这种比例关系是由三极管的内部结构决定的，一旦三极管制成后，这种比例关系也就确定了。

由上式可得

式中，ICEO=（1+β）ICBO称为穿透电流，因为是少数载流子漂移运动产生的，其值很小，所以

从发射区注入基区的载流子在基区复合掉的很少，β越大，三极管的电流放大能力越强，但稳定性较差，所以β一般取几十到三百之间。

三、三极管的特性曲线

三极管的特性曲线是指三极管的各极电压与电流之间的关系曲线，它是三极管内部载流子运动的外部表现，由于三极管和二极管一样，也是非线性元件，因此通常用它的特性曲线来进行描述。从使用三极管的角度来看，了解它的特性比了解它的内部载流子运动更为重要。由于三极管有3个电极，因此它的伏安特性就不像二极管那样简单，工程中常用到的是它的输入和输出特性曲线。

在半导体器件手册中，有时给出某些三极管的典型特性曲线，但由于电子元件本身的分散性，即使是同型号的元件，特性也不完全一致，因此只能作为使用时的参考。实际应用中，一般通过晶体管特性图示仪对输入、输出特性曲线进行显示，或者通过实验进行测量。

利用三极管组成的放大电路，通常将一个电极作为信号输入端，一个电极作为输出端，另一个电极作为输入、输出回路的共同端。根据共同端的不同，三极管可有3种连接方式（即3 种组态）：共基极电路、共发射极电路和共集电极电路。下面以图1-29所示共发射极电路为例，介绍半导体三极管的特性曲线。

图1-29　三极管特性曲线的实验测量电路

（一）输入特性曲线

输入特性曲线是指当集电极与发射极之间的电压uCE为一常数时，输入回路中加在三极管基极与发射极之间的发射结电压uBE和基极电流iB之间的关系曲线。用函数关系式表示为

当uCE=0时，三极管集电极与发射极之间相当于两个正向接法的并联二极管，这时三极管的输入特性和二极管的伏安特性一样。

当b、e两极之间加上正向电压，即uCE≥uBE时，集电结反偏，发射区注入基区的电子绝大部分漂移到集电极，只有一小部分与基区的空穴复合形成基极电流iB。与uCE=0时相比，在相同uBE条件下，iB要小得多，所以输入特性曲线向右移动；若uCE继续增大，则曲线继续右移。

当uCE＞1V 时，在一定的Ug条件下，集电结的反向偏压足以将注入到基区的电子全部拉到集电极，此时uCE再继续增大，Ig也变化不大，因此uCE＞1V 以后，不同uCE值的各条输入特性曲线几乎重叠在一起，所以常用uCE＞1V 的某条输入特性曲线来代表uCE更高的情况。在实际应用中，三极管的uCE一般大于1V，因而uCE＞1V 时的曲线更具有实际意义，如图1-30所示。

图1-30　三极管的输入特性曲线

从三极管的输入特性曲线可以看出，三极管的输入特性曲线是非线性的，输入电压小于某一开启值时（相当于二极管的死区电压），三极管不导通，基极电流近似为零，这个开启电压又称为阈值电压。对于硅管，其阈值电压约为0.5V，锗管为0.1～0.2V。当三极管正常工作时，发射结压降变化不大，对于硅管为0.6～0.7V，对于锗管为0.2～0.3V。

（二）输出特性曲线

输出特性曲线是指在基极电流IB一定的情况下，三极管的集电极输出回路中，集电极与发射极之间的管压降uCE和集电极电流IC之间的关系曲线。用函数式表示为

固定一个IB值，可得到一条输出特性曲线，改变IB值，可得到一簇输出特性曲线。以硅NPN 型三极管为例，其输出特性曲线簇如图1-31所示。

图1-31　三极管的输出特性曲线

在输出特性曲线上可划分3个区：截止区、放大区、饱和区。

1.截止区

习惯上把IB=0时的输出特性曲线和横坐标轴之间的区域称为截止区（即iC≤ICEO的区域）。若要使IB≈0，则三极管的发射结就必须在死区以内或反偏，为了使三极管能够可靠截止，通常给三极管的发射结加反偏电压。

2.放大区

在这个区域内，发射结正偏，集电结反偏。发射区发射出去的多数载流子（形成电流iE），少量与基区的多数载流子复合（形成iB），剩下几乎全部被集电极收集（形成电流iC）。输出特性曲线近似为水平线。iC、iB、iE的关系为

3.饱和区

饱和区是指曲线上靠近纵轴的区域。在此区域，uCE较小，发射区发射到基区的多子随着uCE的增加而越来越多地被集电极收集形成电流iC，iC与iB无对应关系，但随uCE的增加而变大。(https://www.xing528.com)

饱和区与放大区的交界处称为临界饱和点，对应的uCE称为临界饱和电压，用UCES表示。硅管的UCES约为0.3V，锗管的UCES约为0.1V。

三极管的3个区域对应三极管的3种工作状态。根据3种工作状态各自的特点，三极管可用在不同的场合，现将三极管3种工作状态的比较归纳于表1-3。

表1-3　三极管的3种工作状态

四、三极管的主要参数

三极管的参数用以表征三极管的性能和适用范围，是电路设计和调整的依据。了解这些参数对于合理使用三极管十分必要。

（一）电流放大系数

电流放大系数的大小反映了三极管放大能力的强弱，有直流放大系数和交流放大系数之分。

2.共发射极交流电流放大系数β

共发射极交流电流放大系数β为三极管集电极电流的变化量ΔiC与基极电流的变化量ΔiB的比值，即

（二）级间反向电流

1.集电极—基极间反向饱和电流ICBO

集电极—基极间反向饱和电流ICBO是指在发射极断开时（IE=0），基极和集电极之间的反向电流，下标中的 “O”代表发射极开路，测量电路如图1-32所示。ICBO的实质是集电结反偏时集电区和基区的少子漂移电流，所以受温度影响较大，ICBO的值一般很小。在室温下，小功率硅管的ICBO＜1μA；小功率锗管为10μA 左右。ICBO的大小标志集电结质量的好坏，ICBO越小越好，一般在工作环境温度变化较大的场所都选择硅管。

图1-32　ICBO测量电路

2.集电极—发射极间反向电流ICEO

集电极—发射极间反向电流ICEO是指基极开路时，集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。由于这个电流从集电极穿过基区流到发射极，因此又称为穿透电流，测量电路如图1-33所示。ICEO与反向饱和电流ICBO的关系为

图1-33　ICEO测量电路

ICEO与ICBO一样，属于少子漂移电流，受温度影响较大，是衡量三极管质量的一个标准。

（三）极限参数

极限参数是指为使晶体管安全工作对它的电压、电流和功率损耗的限制。

1.最大集电极耗散功率PCM

PCM决定于晶体管的温升。当硅管的结温度大于150℃时，锗管的结温度大于70℃时，管子特性明显变坏，甚至烧坏。对于确定型号的晶体管，PCM是一个确定值，即PCM=iC·uCE=常数，在输出特性坐标平面中为双曲线中的一条，如图1-34所示。曲线右上方为过损耗区。对于大功率管的PCM，应特别注意测试条件，如对散热片的规格要求。当散热条件不满足要求时，允许的最大功耗将小于PCM。

2.最大集电极电流ICM

iC在相当大的范围内，β值基本不变；但当iC的数值大到一定程度时，β值将减小。使β值明显减小的iC即为ICM。对于合金型小功率管，定义当uCE=1V 时，由PCM=iC·uCE得出的iC即为ICM。

实际上，当晶体管的iC大于ICM时，晶体管不一定损坏，但β明显下降。

图1-34　三极管的极限参数

3.极间反向击穿电压

晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压，超过此值的管子会发生击穿现象。下面是各种击穿电压的定义。

（1）U（BR）CBO是发射极开路时集电极—基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。

（2）U（BR）CEO是基极开路时集电极—发射极间的反向击穿电压，此时集电结承受反向电压。

（3）U（BR）EBO是集电极开路时发射极—基极间的反向击穿电压，这是发射结所允许加的最高反向电压。

对于不同型号的管子U（BR）CBO为几十伏特到上千伏特，U（BR）CEO小 于U（BR）CBO，而U（BR）EBO只有几伏特。此外，集电极—发射极间的击穿电压还有b-e间接电阻时的U（BR）CER，短路时的U（BR）CES，接反向电压时的U（BR）CEX。上述各击穿电压间的一般关系为

晶体管安全工作区如图1-34所示。

在组成晶体管电路时，应根据工作条件选择管子的型号。为防止晶体管在使用中损坏，必须使它工作在图1-34所示的安全区，且b-e间的反向电压要小于U（BR）EBO；对于功率管，还必须满足散热条件。对于工作频率高的电路，应选用高频管或超高频管；在开关电路中，应选用开关管；若管子温升较高或要求反向电流小，则应选用硅管；若要求b-e间导通电压低，则应选用锗管。

五、温度对三极管参数的影响

温度对晶体管的各种参数都有影响，影响最大的是ICBO、β和发射结导通电压uBE

（一）温度对ICBO的影响

ICBO是由集电区少子向基区漂移及基区少子向集电区漂移而形成的电流。由于少子的数量与环境温度有关，当温度升高时，少子急剧增加，因此ICBO随着温度变化按指数规律变化。无论硅管或锗管，都可以近似地认为，温度每升高10℃，ICBO就增大一倍。

（二）温度对β的影响

三极管的电流放大系数β随着温度升高而增大。这是由于温度升高时，基区中载流子运动速度加快，复合机会减少，使IC/IB增大，即β 值增大。无论是硅管还是锗管，温度每升高1℃，β相应地增大0.5%～1%。在三极管的输出特性曲线上表现为曲线上移且间隔变大。

（三）温度对发射结导通电压uBE的影响

温度升高后，三极管内部载流子运动加剧，电流随温度升高而增加。所以温度升高后，在电流相同的条件下，发射结电压uBE减小，温度系数约为-25mV/℃，同二极管的输入特性曲线类似，温度升高时，三极管输入特性曲线向左移动。