半导体三极管（又称晶体管）是一种重要的半导体器件。由于它的放大作用和开关作用促使了电子技术的发展，下面对这一器件作一个较为全面地介绍。

1）三极管的结构和符号

根据半导体材料的不同，三极管可分为硅管和锗管；根据结构的不同，又可分为NPN和PNP两种型式。图3.18（a）、（b）给出了NPN型三极管的结构和示意图，它有两个PN结——发射结和集电结，三个区——发射区、基区和集电区，从三个区引出的3个电极，分别叫发射极e、基极b、集电极c。如果用P型半导体做成发射区和集电区，用N型半导体做成基区，则可得到PNP型的三极管。图3.18（c）是NPN和PNP两种不同类型三极管的图形符号，发射极的箭头代表发射结正向偏置时的电流方向。由于两种管子工作原理相同，下面仅以NPN型三极管为例进行说明。

三极管在制造时具有下列几个特殊的结构特点，这些结构特点同时也是三极管之所以能够工作于放大状态的外部条件。

（1）基区做得很薄，厚度只有几个微米，并且掺杂浓度很低；

（2）发射区的掺杂浓度很高，使得发射区的多子浓度远远高于基区的多子浓度；

（3）集电结的结面积远远大于发射结的结面积。

图3.18　三极管的结构、示意图和符号

2）三极管中载流子运动和电流分配情况

图3.19　三极管中载流子运动情况

使三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，对NPN管来说，实际电路接法如图3.19所示，VBB保证了发射结正偏；可取VCC＞VBB，并使UC＞UB，保证集电结反偏（发射结正偏、集电结反偏是三极管工作于放大状态的内部条件）。此时，三极管中载流子的运动和电流分配情况大致如下：

（1）发射区向基区发射电子的过程

由于发射结正偏，即UB＞UE，使发射区的电子源源不断地越过发射结扩散到基区。

（2）电子在基区扩散复合的过程

电子到达基区后，不断地与基区空穴相遇而复合，复合掉的空穴由VBB来补充，从而形成基极电流IB；由于三极管的基区很薄，且基区空穴浓度比发射区电子浓度小得多，因而绝大部分电子没有复合而是扩散到集电结边界。

（3）电子被集电极收集的过程

由于集电结反偏，即UC＞UB，从而使基区扩散来的电子被收集到集电极，形成集电极电流IC。

（4）电流分配情况

每一个三极管制成后，三个区中杂质掺杂浓度一定，因此，在一定温度下载流子浓度一定，IC和IB的比例也就基本上保持一定。通常把IC和IB的比值称为三极管的共射直流电流放大系数，用（一般数值在20～200）表示：

上式表明，三极管工作于放大状态时的集电极电流是基极电流的倍。也就是说，可以用较小的基极电流去控制三极管，从而获得较大的集电极电流，这就是三极管的电流放大作用。正是由于IB对IC的这种控制作用，因此常把三极管称作电流控制器件。

如果把三极管看作一个大结点，则有IE=IC+IB。

由于上述三极管中，电子载流子和空穴载流子都参加导电，所以通常把这类三极管称为双极型三极管（或双极型晶体管），在不致造成混淆的情况下，可简称为三极管。

3）三极管的特性曲线

为了全面反映三极管各电极电压与电流之间的关系，最常用的特性曲线是共射输入特性曲线和共射输出特性曲线。

（1）共射输入特性

共射输入特性是指当集射电压uCE为某一常数时，三极管基射电压uBE与基极电流iB之间的关系曲线，用函数式表示为：

输入特性应为一组曲线，但实际上由于uCE＞1 V时的曲线几乎与uCE=1 V时的曲线重合，故通常只画出uCE=1 V的曲线来代表整个输入特性曲线，见图3.20（a）。显然，它与二极管的伏安特性极为相似。(www.daowen.com)

图3.20　三极管特性曲线

（2）共射输出特性

共射输出特性是在基极电流iB一定的情况下，三极管集射电压uCE与集电极电流iC之间的关系曲线，用函数式表示为

图3.20（b）为三极管的光射输出特性，由图分析可知，三极管的工作状态可以分成三个区域。

截止区：把iB≤0的区域称为截止区。工作在截止区的三极管发射结反偏（应为uBE＜Uth（死区电压））的范围，集电结也反偏，因而发射区基本上没有电子注入基区，对应的集电极电流也接近于零（iB≈0，iC≈0）。

放大区：当发射结正偏、集电结反偏时为放大区。在放大区曲线近似水平，即三极管工作在放大状态，，β为三极管的交流放大系数。

饱和区：参看图3.19的电路，当电源VCC一定，iC增大时，uCE（=VCC-iCRC）减小，uCE减小到一定程度后，使集电结变为正偏，集电极收集电子的能力大大减弱，这时如iB再增大，iC已基本上不再增大，三极管将失去放大作用，这种情况称为饱和。一般将饱和时三极管的集射电压uCE用UCE（sat）表示，称作饱和压降。UCE（sat）很小，通常小功率硅管UCE（sat）≈0.3 V。锗管UCE（sat）≈0.1 V，大功率管较大些。把饱和时的集电极电流用ICS表示，称为集电极饱和电流。图3.19电路中的

不论三极管工作于那个区，三个电极的电流均满足iE=iC+iB的关系。

表3.1列出三极管在三个区域工作状态的特点，以便比较。

表3.1　NPN型硅三极管截止、放大、饱和工作状态的特点

4）三极管的开关特性

三极管是数字电路中最基本的开关元件，通常不是工作在饱和区就是工作在截止区，放大区只是出现在三极管由饱和变为截止或由截止变为饱和的过渡过程中，是瞬间即逝的。

（1）三极管的开关作用

由三极管输入特性和输出特性可知，对NPN型硅管来说饱和时的特点是uBE≈0.7 V，UCE（Sat）≈0.3 V，这就如同闭合的开关，等效电路见图3.21（a）；而截止时的特点是iB≈0，iC≈0，此时如同断开的开关，等效电路见图3.21（b）。可见只要控制管子工作在截止区或饱和区，就可达到开与关的目的。

图3.21　三极管开关作用

图3.22　例3.1图

（2）三极管的开关条件

要使三极管工作在开关状态，必须满足一定的条件。由三极管的输入特性可知，当uBE＜Uth时，iB≈0，管子基本上是截止的，因此在数字电路的分析估算中，常把uBE＜Uth≈0.5 V作为硅三极管截止的条件。如果用IBS表示三极管临界饱和时的基极电流，则我们知道，三极管达到临界饱和状态前，iC随iB成比例地增加，但是饱和以后，iB再增加，iC基本上就不再增加，三极管已没有电流放大作用。因此，在数字电路的分析估算中，常把iB≥IBS作为判断三极管饱和导通的条件。

【例3.1】 图3.22所示电路中，硅三极管的当输入电压为uI时，试判定三极管的工作状态，并求出相应的输出电压uO。

解：当uI=0 V时，由于uBE＜0.5 V，因而三极管工作于截止区，iB≈0，iC≈0。此时，三极管相当于开关断开，所以输出电压uO≈12 V。当uI=3 V时，发射结由于正偏而导通，uBE≈0.7 V，产生的基极电流为：

而临界饱和时的基极电流为：

满足iB＞IBS条件，故此时三极管工作于饱和区，相当于开关闭合，其输出电压为UCE（sat）≈0.3 V。

（3）三极管的开关时间

由于PN结的结电容效应，三极管的开关过程需要一定时间。三极管由截止到饱和导通所需的时间称为开启时间，用tON表示；由饱和导通到截止所需的时间称为关闭时间，用tOFF表示。tON和tOFF一般在纳秒数量级，使用时应予以注意。