半导体三极管原理及应用介绍

1.三极管的结构与符号

三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。各种三极管器件的外形图及封装形式如图5.18所示。

半导体三极管

图5.18　三极管的外形图及封装形式

三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的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，如图5.19、图5.20所示。

图5.19　NPN型三极管

无论NPN型还是PNP型三极管都有三个区：发射区、基区和集电区。从这三个区可引出三个电极：发射极e、基极b和集电极c。发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。发射极的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向，根据这个箭头方向可以判断三极管的类型，即箭头向外的为NPN型，反之为PNP型。三极管发射区的掺杂浓度较高，基区的掺杂浓度较低且很薄，一般只有几微米至几十微米厚，集电区的面积较大，且掺杂浓度较发射区低，因此发射极和集电极不可调换使用。

图5.20　PNP型三极管

2.三极管的分类

依据制造材料的不同可分为硅管和锗管两大类。

依据功率不同三极管可分为大功率管（耗电功率＞1 W）、中功率管、小功率管（耗电功率＜1 W）。

依据工作频率的不同，三极管可分为高频管（fM＞3 MHz）和低频管（fM＜3 MHz）。

依据用途不同三极管可分为普通放大三极管和开关三极管。

3.三极管的基本连接方式

三极管有三个极，在组成基本放大电路时有一个极作为输入端，一个极作为输出端，还有一个极作为输入、输出的公共端。其中发射极作为公共端的称为共发射极接法，基极作为公共端的称为共基极接法，集电极作为公共端的称为共集电极接法。

4.三极管的电流放大作用

（1）三极管的放大偏置。

为了使三极管具有放大作用，在实际使用时，必须使其发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置。符合该要求的三极管直流偏置电路如图5.21所示。

图5.21　三极管的直流偏置电路

图5.21（a）中，外加直流电源VBB使NPN管的基极电位UB高于发射极电位UE，则发射结正偏；VCC使集电极电位UC高于基极电位UB，则集电结反偏。PNP管偏置电路的电源极性与NPN管相反，如图5.21（b）所示。

（2）三极管的各极电流关系。

下面通过电路测试来讨论三极管的电流分配关系。测试电路如图5.22所示，三极管采用3DG6，改变直流电源电压VBB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都将发生变化，测量并记录各电流数值，测试结果列于表5.1。其中，IB、IC、IE为测量数据，IC/IE、IC/IB为计算结果。

图5.22　晶体管电流关系实验电路

表5.1　三极管电流测试数据

由此测试结果可得出以下结论。

① 分析测试数据的每一列，可得

此结果也符合KCL定律。

② 分析第3列至第5列数据可知，IC和IE均远大于IB，且IC /IE和IC /IB基本保持不变，这就显示了三极管的电流放大作用。由此可得

式中，为共基极直流电流放大系数，其值一般为0.95～0.995。

式中，为共发射极直流电流放大系数，其值一般在几十至几百之间。

因此，

显然，由于，因此有IE＞IC ＞＞IB，IC≈IE。

同样，三极管的电流放大作用还体现在基极电流变化量ΔIB和集电极电流变化量ΔIC上。比较第3列至第5列数据，可得

可见，微小的ΔIB可以引起较大的ΔIC，且其比值与近似相等。因此可得

式中，β为共发射极交流电流放大系数。

虽然β 和是两个不同的概念，但在三极管导通时，在IC相当大的变化范围内，β

β≈，统称为共发射极电流放大系数，均用β表示。由于β 值较大，因此三极管具有较强的电流放大作用。

③ 当IB=0时（基极开路），IC=IE=ICEO（穿透电流，含义后述），表中ICEO＜0.001mA=1μA。

图5.23所示为NPN型和PNP型三极管各极电流关系及方向的示意图，其中PNP型管的电流关系与NPN型管完全相同，但各极电流方向与NPN型管正好相反。基本上不变，

图5.23　三极管的各极电流

5.三极管的伏安特性曲线

三极管的伏安特性曲线是用来表示管子各极电压和电流之间的相互关系，最常用的是三极管共射特性曲线，其测量电路如图5.24所示。

图5.24　三极管共射特性曲线的测量电路

（1）共射输入特性曲线。

输入特性曲线是指当三极管的输出电压uCE为常数时，输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线，即，如图5.25（a）所示。(www.xing528.com)

由图5.25（a）可见，当uCE=0时，三极管的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性相似。当uCE增大时，曲线将向右移动。严格地说，uCE不同，所得到的输入特性曲线也不相同。但实际上，uCE≥1 V以后的曲线基本上是重合的，因此只用uCE=1 V时的曲线来表示。

与二极管相似，三极管的输入特性也有一段死区。一般硅管的死区电压约为0.5 V，锗管约为0.1 V。此外，三极管正常工作时，发射结电压uBE变化不大，一般硅管的│UBE│≈0.7 V，锗管的│UBE│≈0.2 V。

（2）共射输出特性曲线。

输出特性曲线是指当三极管的输入电流iB为常数时，输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线，即，如图5.25（b）所示。

由图5.25（b）可见，各条曲线的形状基本相同。曲线的起始部分很陡，uCE略有增加，iC就迅速增加，当uCE超过某一数值（约1 V）后，曲线变得比较平坦，几乎平行于横轴。

图5.25　共射特性曲线

三极管的共射输出特性曲线可分为以下三个区域。

① 截止区。

iB=0的曲线以下的区域称为截止区，截止区满足发射结和集电结均反偏的条件。此时，三极管失去放大作用，呈高阻状态，各极之间近似看为开路。

② 放大区。

iB＞0的所有曲线的平坦部分称为放大区，放大区满足发射结正偏和集电结反偏的条件。在放大区，iC≈β iB，iC随iB的变化而变化，即iC受控于iB。相邻曲线间的间隔大小反映了β的大小，即管子的电流放大能力。

③ 饱和区。

所有曲线的陡峭上升部分称为饱和区，饱和区满足发射结和集电结均正偏的条件。此时，三极管各极之间电压很小，而电流却较大，呈现低阻状态，各极之间可近似看成短路。

在放大电路中，三极管应工作在放大区，而在开关电路中应工作在截止区和饱和区。

例5.1　测得电路中几个三极管各极对地的电压如图5.26所示，试判断它们各工作在什么区（放大区、饱和区或截止区）。

图5.26　例5.1图

解：VT1为NPN型管，由于uBE=0.7V＞0，发射结为正偏；而uBC=-4.3V＜0，集电结为反偏，因此VT1工作在放大区。

VT2为PNP型管，由于uEB=0.2 V＞0，发射结为正偏；而uCB=-4.8 V＞0，集电结为反偏，因此VT2工作在放大区。

VT3为NPN型管，由于uBE=0.7 V＞0，发射结为正偏；而uBC=0.4 V＞0，集电结也为正偏，因此VT3工作在饱和区。

VT4为NPN型管，由于uBE=-0.7 V＜0，发射结为反偏；而uBC=-6 V＜0，集电结也为反偏，因此VT4工作在截止区。

6.三极管的主要参数

（1）电流放大系数β和α。

如前所述，β和α是表征三极管电流放大能力的参数。

（2）极间反向电流ICBO和ICEO。

ICBO是发射极开路时集电结的反向饱和电流。ICEO是基极开路时集电极与发射极间的穿透电流，且。管子的反向电流越小，性能越稳定。

由于ICBO的值很小，所以在讨论三极管的各极电流关系时将其忽略。若考虑ICBO，则

（3）极限参数。

极限参数是指为使三极管安全工作对它的电流、电压和功率损耗的限制，即正常使用时不宜超过的限度。

① 最大集电极电流ICM。

IC在相当大的范围内三极管β值基本不变，但当IC的数值大到一定程度时β值将减小。当β下降到其额定值的2/3时的IC即为ICM。当电流超过ICM时，三极管的性能将显著下降，甚至可能烧坏管子。

② 最大集电极功耗PCM。

PCM表示集电结上允许的损耗功率的最大值，超过此值将导致管子性能变差或烧坏。

③ 反向击穿电压UBR，CEO。

三极管有两个PN结，如果反向电压超过一定值，也会发生击穿。UBR，CEO是指基极开路时集-射极间的反向击穿电压，一般在几十伏以上。

在设计三极管电路时，应根据工作条件选择管子的型号。为防止三极管在使用中损坏，必须使它工作在图5.27所示的安全工作区内。

图5.27　三极管安全工作区

7.三极管好坏及极性的判断

用指针式万用表检测三极管的基极和管型：先将万用表置于R×lk 欧姆挡，将红表棒接假定的基极b，黑表棒分别与另两个极相接触，观测到指针不动（或近满偏）时，则假定的基极是正确的；且晶体管类型为NPN型（或PNP型），如图5.28（a）所示。

如果把红黑两表棒对调后，指针仍不动（或仍偏转），则说明管子已经老化（或已被击穿）损坏。

用万用表R×1k欧姆挡判别发射极e和集电极c：若被测管为NPN三极管，让黑表棒接假定的集电极c，红表棒接假定的发射极e。两手分别捏住b、c两极充当基极电阻RB（两手不能相接触）。注意观察电表指针偏转的大小；之后，再将两检测极反过来假定，仍然注意观察电表指针偏转的大小，如图5.28（b）所示。

图5.28　万用表测试三极管

偏转较大的假定极是正确的，偏转小的反映其放大能力下降，即集电极和发射极接反了。

如果两次检测时电阻相差不大，则说明管子的性能较差。