【任务描述】

（1）了解三极管的种类、作用及标识方法。

（2）掌握三极管的主要参数。

（3）理解三极管的主要用途。

【知识学习】

一、三极管的结构及类型

半导体三极管又称为晶体管、双极性三极管。它是组成各种电子电路的核心器件。三极管有三个电极：发射极（e）、基极（b）和集电极（c）。晶体管的结构及符号如图1.2.1所示。

图1.2.1　晶体管结构及符号

如图1.2.1所示三极管由两个PN结组成，按PN结的组成方式，三极管有PNP型和NPN型两种类型。

从结构上看，三极管内部有三个区域，分别称为发射区、基区和集电区，并相应地引出三个电极，即发射极（e）、基极（b）和集电极（c）。三个区形成的两个PN结分别称为发射结和集电结。

常用的半导体材料有硅和锗，因此三极管有四种类型。它们对应的系列为：3A（锗PNP），3B（锗NPN），3C（硅PNP），3D（硅NPN）。

由于硅NPN三极管用得最广，在无说明时，三极管即为硅NPN三极管。

二、三极管的三种连接方式

放大器一般为4端口网络，而三极管只有3个电极，所以组成放大电路时，势必要有一个电极作为输入与输出信号的公共端。根据所选公共端电极的不同，有三种连接方式，如图1.2.2所示。

图1.2.2　三极管的三种连接方式

三、三极管的放大作用

1.三极管实现放大的结构要求和外部条件

（1）结构要求。

①发射区重掺杂，多数载流子电子浓度远大于基区多数载流子空穴浓度。

②基区做的很薄，通常只有几微米到几十微米，而且是低掺杂。

③集电极面积大，以保证尽可能收集到发射区发射的电子。

（2）外部条件。

外加电源的极性应使发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。

2.载流子的传输过程

载流子的传输过程如图1.2.3所示。

图1.2.3　NPN型晶体管放大电路中各极电流

（1）发射。

由于发射结正向偏置，因此发射区的电子大量地扩散注入到基区，与此同时，基区的空穴也向发射区扩散。用电流表示为IEn、IEp，可见IE=IEn+IEp；由于发射区是重掺杂，因而注入到基区的电子数远大于基区向发射区扩散的空穴数，可以将这部分空穴的作用忽略不计。

（2）扩散与复合。

由于电子的注入使基区靠近发射结处的电子浓度很高而靠近集电结处的电子浓度很低（近似为0），因此在基区形成电子浓度差。而集电结反向应用，使电子靠扩散作用向集电区运动。

此外，在基区，发射区扩散过来的电子将与空穴相遇产生复合，复合形成的基极电流表示为IBn。由于基区空穴浓度比较低，且基区做的很薄，因此复合的电子是极少数，绝大多数电子均能扩散到集电结处。

（3）收集。

由于集电结的反向偏置，在结电场的作用下，通过扩散到达集电结的电子将漂移运动到达集电区。因为集电结的面积大，所以扩散过来的电子基本上全部被集电区收集，形成ICn。

此外，因为集电结的反向偏置，所以集电区的空穴和基区的电子（均为少数载流子）在结电场的作用下作漂移运动（相当于反向饱和电流）形成ICBO

3.直流电流分配

载流子运动即形成电流，相应的各极电流如图1.2.3和下面各式。

其中，集电极电流为

IC=ICn+ICBO

发射极电流为

IE=IEn+IEp≈IEn=ICn+IBn

基极电流为

IB=IBn-ICBO

则IE=IC+IB

定义共基极直流电流放大系数为

定义共发射极直流电流放大系数为

则

一般三极管的为几十至几百。太小，管子的放大能力就差，过大，则三极管不够稳定。从实测数据，我们可以看出IB＜IC＜IE计算中，常取IC≈IE

4.交流电流的放大系数α和β

从实测数据中，我们还可以看出，当三极管的基极电流IB有一个微小的变化时，例如由0.02 mA变为0.04 mA（△IB=0.02 mA），相应的集电极电流产生了较大的变化，由1.14 mA变为2.33 mA（△IC=1.19 mA），这就说明了三极管的电流放大作用。我们定义这两个变化电流之比为共发射极交流电流放大系数β。同理，定义△IC与△IE电流之比α为共基极交流电流放大系数。

显然，β和的含义是不同的，但目前的多数应用中，两者基本相等且为常数，因此在使用时一般可不加区分，都用β表示。在手册中，β有时用hfe来代表，其值通常在20～200。

四、三极管的特性曲线

三极管外部各极电压电流的相互关系，当用图形描述时称为三极管的特性曲线。它即简单又直观，全面地反映了各极电流与电压之间的关系。特性曲线与参数是选用三极管的主要依据。所以要很好地理解三极管特性曲线。

1.输入特性

如图1.2.4三极管输入特性曲线所示，当UCE不变时，输入回路中的电流与IB与电压UBE之间的关系曲线称为输入特性，即(www.daowen.com)

UCE=0 V时，从三极管的输入回路看，相当于两个PN结的并联，当b、e间加上正电压时，三极管的输入特性就是两个正向二极管的伏安特性。三极管处于饱和导通状态。

图1.2.4　三极管输入特性曲线

图1.2.5　三极管输出特性曲线

UCE≥1 V，b、e间加正电压，此时集电极电位比基极高，集电结为反向偏置，阻挡层变宽，基区变窄，基区电子复合减少，故基极电流IB下降。与UCE=0 V时相比，在相同条件下，IB要小得多，结果输入特性曲线将右移，三极管处于放大状态。

2.输出特性

如图1.2.5三极管输出特性曲线所示，当IB不变时，输出回路中的电流IC与电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。

固定一个IB值，得到一条输出特性曲线，改变IB值，可提一簇输出特性曲线。在输出特性曲线上可以划分为三个区域。

（1）截止区

IB≤0的区域称为截止区。

在截止区，集电结和发射结均处于反向偏置。即UBE＜0、UBC＜0

（2）放大区

发射结正向偏置，集电结反向偏置。对于硅NPN型三极管，UBE≥0.7，UBC＜0，△IC=β△IB或者ic=βib

（3）饱和区

在靠近纵轴附近，各条输出曲线的上升部分属于饱和区，在这个区域，不同IB值的各条曲线几乎重叠在一起。IC不再随IB变化，此时三极管失去了放大作用。发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN型三极管，UBE＞0，UBC＞0

临界饱和：UCE=UBE即UCB=0。

过饱和：UCE＜UBE。

在深度饱和时，小功率管的管压降为UCES通常小于等于0.3 V

五、三极管的主要参数

1.电流大系数

（1）共发射极交流电流放大系数β。

（2）共发射极直流电流放大系数

（3）共基极交流电流放大系数α。

（4）共基极直流电流放大系数

2.极间反向电流

（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO。

（2）集电极-发射极穿透电流ICEO。

这两项越小，三极管质量越高。

3.极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM。

由于三极管的电流放大系数β与工作电流有关，工作电流太大，β就下降，使三极管的性能下降，也使放大的信号产生严重失真。一般定义当β值下降为正常值的1/3～2/3时的IC值为ICM。

（2）集电极最大允许功率损耗PCM。

PC=IC UCE

PC＜PCM为安全区，PC＞PCM为过耗区。

4.反向击穿电压

BUCBO——发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。

BUCEO——基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。

BUCER——基射极间接有电阻R时，集电极-发射极间的反向击穿电压。

BUCES——基射极间短路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。

BUEBO——集电极开路时，发射极-基极间的反向击穿电压。此电压一般较小，仅有几伏左右。

上述电压一般存在如下关系：

BUCBO＞BUCES＞BUCER＞BUCEO＞BUEBO

三极管应工作在安全工作区，即UCE＜BUCEO。

六、温度对三极管参数的影响

由于半导体的载流子浓度受温度影响，因而三极管的参数也会受温度的影响。这将严重影响到三极管电路的热稳定性。通常三极管的如下参数受温度影响比较明显。

1.温度对UBE的影响

输入特性曲线随温度升高向左移动。即IB不变时，UBE将下降，其变化规律是温度每升高1℃，UBE减小2～2.5 mV

2.温度对ICBO的影响

ICBO是由少数载流子形成的。当温度上升时，少数载流子增加，故ICBO也上升。其变化规律是，温度每上升10℃，ICBO约上升1倍。ICEO随温度的变化规律大致与ICBO相同。在输出特性曲线上，温度上升，曲线上移。

3.温度对β的影响

β随温度的升高而增大，变化的规律是：温度每升高1℃，β值增大0.5%～1%。在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度升高而增大。

综上所述，温度对UBE、ICBO、β的影响，均使IC随温度上升而增加，这将严重影响三极管的工作状态。

【任务实施】