1.3 半导体三极管

半导体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半导体三极管。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。之所以称为双极型管，是因为它的空穴和自由电子两种载流子都参与导电。而单极型半导体三极管只有一种载流子导电。

1.3.1 半导体三极管的结构和类型

三极管是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出三个电极而构成的，如图1.14所示。三极管有3个区：发射区，发射载流子的区域；基区，载流子传输的区域；集电区，收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极（E极）、基极（B极）和集电极（C极）。发射区和基区在交界处形成发射结，基区和集电区在交界处形成集电结。根据半导体各区的类型不同，三极管可分为NPN型和PNP型两大类，如图1.14（a）、（b）所示。

目前NPN型管多数为硅管，PNP型管一般为锗管（也有由平面工艺制成的硅PNP型管）。因硅NPN型三极管应用最为广泛，故本书以硅NPN型三极管为例来分析三极管及其放大电路的工作原理。

为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件：

[1] 发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”；

[2] 基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在；

[3] 集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。

由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替，在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。

1.3.2 半导体三极管的放大作用

1. 三极管的工作电压和基本连接方式

为更好地理解半导体三极管的放大作用，先介绍三极管的工作电压和基本连接方式。

（1）工作电压。三极管要实现放大作用必须满足的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压，即发射结正偏，集电结反偏。如图1.15所示，其中V为三极管，UCC为集电极电源电压，UBB为基极电源电压，两类管子外部电路所接电源极性正好相反，RB为基极电阻，RC为集电极电阻。若以发射极电压为参考电压，则三极管发射结正偏，集电结反偏。这个外部条件也可用电压关系来表示：对于NPN型，UC > UB > UE；对于PNP型，UE>UB>UC。

（2）基本连接方式。三极管有3个电极，而在连成电路时必须由两个电极接输入回路，两个电极接输出回路，这样势必有一个电极作为输入回路和输出回路的公共端。根据公共端的不同，有三种基本连接方式。

[1] 共发射极接法（简称共射接法）。共射接法是以基极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，发射极为公共端，如图1.16（a）所示。

[2] 共基极接法（简称共基接法）。共基接法是以发射极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，基极为公共端，如图1.16（b）所示。

[3] 共集电极接法（简称共集接法）。共集接法是以基极为输入端的一端，发射极为输出端的一端，集电极为公共端，如图1.16（c）所示。

无论采用哪种接法，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。

2. 电流放大原理

在图1.17中，UBB为基极电源电压，用于向发射结提供正向电压，RB为限流电阻。UCC为集电极电源，要求UCC>UBB。它通过RC、集电结、发射结形成电路。由于发射结获得了正向偏置电压，其值很小（硅管约为0.7V），因而UCC主要降落在电阻RC和集电结两端，使集电结获得反向偏置电压。在图1.17中发射极为三极管输入回路和输出回路的公共端，这种连接方式就是前面介绍的共发射极电路。

在正向电压的作用下，发射区的多子（电子）不断向基区扩散，并不断地由电源得到补充，形成发射极电流IE。基区多子（空穴）也要向发射区扩散，其数量很小，可忽略。到达基区的电子继续向集电结方向扩散，在扩散过程中，少部分电子与基区的空穴复合，形成基极电流IB。由于基区很薄且掺杂浓度低，因而绝大多数电子都能扩散到集电结边缘。由于集电结反偏，所以这些电子全部漂移过集电结，形成集电极电流IC。

若考虑集电区及基区少数载流子漂移运动形成的集电结反向饱和电流ICBO（见图1.17），则IC与IB之间有关系：。式中，ICEO为穿透电流，其计算公式为，单位为mA。

3. 各极电流之间的关系

IE=IC+IB

其中，为共发射极直流电流放大系数，表明三极管具有放大作用。

1.3.3 半导体三极管的特性曲线及主要参数

1. 三极管的特性曲线

三极管的特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线。三极管的共射接法应用最广，故以NPN管共射接法为例来分析三极管的特性曲线。

1）输入特性曲线

（1）当UCE不变时，输入回路中的电流IB与电压UBE之间的关系曲线被称为输入特性曲线。输入特性曲线如图1.18所示。

（2）当UCE=0时，三极管的输入回路相当于两个PN结并联，如图1.19所示。三极管的输入特性是两个正向二极管的伏安特性。

（3）当 UCE≥UBE时，B、E两极之间加上正向电压。与UCE=0时相比，在相同UBE条件下，IB要小得多，输入特性曲线向右移动；若UCE继续增大，则曲线继续右移。

（4）当 UCE >1V时，UCE继续增大，IB变化不大，因为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>1时的曲线更具有实际意义。

由三极管的输入特性曲线可看出：三极管的输入特性曲线是非线性的，输入电压小于某一值时，三极管不导通，基极电流为零，该电压为开启电压，又称为阈值电压。对于硅管，其阈值电压约为0.5V，锗管约为0.1～0.2V。当三极管正常工作时，发射结压降变化不大，对于硅管约为0.6～0.7V，对于锗管约为0.2～0.3V。

2）输出特性曲线

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曲线，即

IB值固定，可得到一条输出特性曲线，改变IB值，可得到一族输出特性曲线。

以硅NPN型三极管为例，其输出特性曲线族如图1.20所示。在输出特性曲线上可划分3个区：放大区、截止区、饱和区。

（1）放大区：当UCE>1V以后，三极管的集电极电流，IC与IB成正比而与UCE关系不大，所以输出特性曲线几乎与横轴平行，当IB一定时，IC的值基本不随UCE变化，具有恒流特性。IB等量增加时，输出特性曲线等间隔地平行上移。这个区域的工作特点是：发射结正向偏置，集电结反向偏置，IC≈。由于工作在这一区域的三极管具有放大作用，因而把该区域称为放大区。

（2）截止区：当IB =0时，IC =ICEO。由于穿透电流ICEO很小，故输出特性曲线是一条几乎与横轴重合的直线。

（3）饱和区：当UCE<UBE时，IC与IB不成比例，它随UCE的增加而迅速上升，这一区域称为饱和区，UCE=UBE称为临界饱和。

综上所述，对于NPN型三极管，工作于放大区时，UC >UB >UE；工作于截止区时，UC>UE>UB；工作于饱和区时，UB>UC>UE。

2. 三极管的主要参数

三极管的参数是表征其性能和安全使用范围的物理量，是正确使用和合理选择三极管的依据。三极管的参数较多，这里只介绍主要的几个。

1）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。

（1）共发射极交流电流放大系数β。β是指集电极电流变化量与基极电流变化量之比，其大小体现了共射接法时，三极管的放大能力，即

（2）共发射极直流电流放大系数。为三极管集电极电流与基极电流之比，即

因与β的值几乎相等，故在应用中不再区分，均用β表示。

2）极间反向电流

（1）集电极-基极间的反向电流ICBO。ICBO是指发射极开路时，集电极-基极间的反向电流，也称为集电结反向饱和电流。温度升高时，ICBO急剧增大，温度每升高10℃，ICBO增大1倍。选管时应选ICBO小且ICBO受温度影响小的三极管。

（2）集电极-发射极间的反向电流ICEO。ICEO是指基极开路时，集电极-发射极间的反向电流，也称为集电结穿透电流。它反映了三极管的稳定性，其值越小，受温度影响也越小，三极管的工作就越稳定。

3）极限参数

三极管的极限参数是指在使用时不得超过的极限值，以此保证三极管的安全工作。

（1）集电极最大允许电流ICM。集电极电流IC过大时，β将明显下降，ICM为β下降到规定允许值（一般为额定值的1/2～2/3）时的集电极电流。使用中，若IC >ICM，三极管不一定会损坏，但β明显下降。

（2）集电极最大允许功率损耗 PCM。三极管工作时，UCE的大部分降在集电结上，集电极功率损耗 PC =UCE IC，近似为集电结功耗，它将使集电结温度升高而使三极管发热、损坏。工作时的PC必须小于PCM。

（3）反向击穿电压 U（BR）CEO，U（BR）CBO，U（BR）EBO：U（BR）CEO为基极开路时集电结不致击穿，施加在集电极-发射极之间允许的最高反向电压。U（BR）CBO为发射极开路时集电结不致击穿，施加在集电极 -基极之间允许的最高反向电压。U（BR）EBO为集电极开路时发射结不致击穿，施加在发射极-基极之间允许的最高反向电压。它们之间的关系为U（BR）CEO >U（BR）CBO >U（BR）EBO，通常U（BR）CEO为几十伏，U（BR）CEO为数伏到几十伏。

根据三个极限参数 ICM、PCM、U（BR）CEO可以确定三极管的安全工作区，如图1.21所示。三极管工作时必须保证其工作在安全区内，并留有一定的余量。