2.1 半导体三极管
半导体三极管中由于它有空穴和自由电子两种载流子参与导电，故称为双极型三极管（BJT）。双极型三极管通常也可称为双极型晶体管或半导体三极管，简称晶体管或三极管。三极管的种类很多，按结构分，可分为NPN型和PNP型；按功率大小分，可分为大、中、小功率管；按所用半导体材料分，可分为硅管和锗管；按频率分，可分为高频管和低频管等。
2.1.1 三极管的结构和符号
图2.1所示为NPN型和PNP型三极管的结构示意图和符号。
图2.1 三极管的结构示意图和符号
三块半导体的电极引线分别称为发射极E、基极B和集电极C。三块半导体分别称为发射区、基区和集电区，相应半导体交界处形成了两个PN结。发射区和基区交界处的PN结称为发射结；集电区和基区交界处的PN结称为集电结。在电路符号中，发射极的箭头表示发射结在正向偏置时的电流方向。不管是NPN三极管还是PNP三极管，为了获得良好的特性，都是发射区高掺杂，基区掺杂浓度低，集电结面积尽量大。
图2.2所示为几种三极管的外形及管脚排列，其中大功率管用管壳兼作集电极。
图2.2 三极管的外形和管脚排列
图2.3所示为几种微型塑封片状三极管的外形，其功耗一般为200～500mW，图2.3（a）所示为SOT-23微型三极管，图2.3（b）所示为SOT-143高频三极管，图2.3（c）所示为SOT-89较高功率（300mW）三极管，其底面有金属散热片和集电极相连。
图2.3 微型塑封片状三极管的外形尺寸
2.1.2 三极管的电流分配与放大原理
要使三极管有放大作用，其内部条件是：发射区进行高掺杂，多数载流子浓度很高；基区做得很薄，掺杂少，则基区中多子的浓度很低。而外部条件是：三极管的发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置，即对NPN三极管，要求UC>UB>UE；而对PNP三极管，要求UC<UB<UE。以三极管基极作为信号的输入端，集电极作为输出端，发射极作为输入和输出回路的公共端的电路，称为共发射极电路，简称共射电路。下面以图2.4所示的共射接法的NPN三极管为例，讨论三极管内部的载流子的运动情况及放大原理。
图2.4 共发射极电路直流偏置和直流电流分配
满足上述内部、外部条件的情况下，三极管内部载流子的运动有以下3个过程。
（1）发射
发射区发射大量的电子越过发射结到达基区，形成电子电流，而基区中的多子空穴也向发射区扩散而形成空穴电流，两者之和即为发射极电流IE。IE主要由发射区发射的电子电流所产生。
（2）复合与扩散
电子到达基区后，电子与空穴产生复合运动而形成基极电流IB[图中（1-
，基区被复合掉的空穴由外电源VBB不断进行补充。大多数电子在基区中继续扩散，到达靠集电结的一侧。
（3）收集
由于集电结反偏，外电场的方向将阻止集电区中的多子电子向基区运动，但是却有利于将基区中扩散过来的电子收集到集电极形成集电极电流IC（图中
）。
以上分析了三极管中载流子运动的主要过程。此外，因为集电结反向偏置，所以集电区中的少子空穴和基区中的少子电子在外电场的作用下，还将进行漂移运动而形成反向电流，这个电流称为反向饱和电流，用ICBO表示。可见，集电极电流IC由两部分组成：发射区发射的电子被集电极收集后形成的IC（），以及集电区和基区的少子进行漂移运动而产生的反向饱和电流ICBO，即
（2.1）
发射极电流IE也包括两部分，大部分成为IC，少部分成为IB以及集电极-发射极间的反向饱和电流或称穿透电流ICEO，即
（2.2）
（2.3）
共发射极直流电流放大系数（
）一般为几十至几百；而共基极直流电流放大系数（
）小于1。在忽略反向饱和电流条件下，三极管中3个电流的关系为
IE=IC+IB （2.4）
通常将直流电流放大系数定义为某一时刻两个电流之比。共发射极直流电流放大系数（
）和共基极直流电流放大系数（）
可由下式计算：
（2.5）
（2.6）
以上从三极管中载流子的运动情况来分析管子中各电极的电流的分配关系。
下面通过图2.5研究共发射极（NPN管）接法时，管内电流分配关系的实验电路。
图2.5 三极管电流测量电路
在电路中用3个电流表分别测量发射极电流IE、基极电流IB和集电极电流IC，改变RW或
可改变IB的数值，测出对应的IC和IE，将测试数据填入表2.1中。 这组具体数据说明三极管中的电流关系。
请用实验来测试图2.5所示电路中的电流之间的关系（或用Multisim软件仿真）。
表2.1 三极管电流关系的一组典型的数据
从表2.1可得出：IE=IB+IC，IB<IC<IE，IC≈IE；当IB有一个微小的变化时，相应的集电极电流将发生较大的变化。如IB从0.02mA变为0.04mA（ΔIB=0.02mA），相应的IC由0.72mA变为1.50mA（ΔIC=0.78mA），说明三极管具有电流放大作用。
归纳
通常将集电极电流与基极电流的变化量之比定义为三极管的共射交流电流放大系数，用β 表示：
相应地，将集电极电流与发射极电流的变化量之比定义为共基交流电流放大系数，用α 表示：
电流放大系数有直流和交流之分，但两者的数值却差别不大，所以今后在计算中，两者不再严格区分。
注意
表2.1中第1列表示当发射极开路（IE=0）时，集电极和基极之间的反向电流称为反向饱和电流（ICBO）。第2列中当基极开路（IB=0）时，集电极和发射极之间的电流称为穿透电流（ICEO）。
2.1.3 三极管的特性曲线和主要参数
上面讨论了三极管各极电流之间的关系，现在进一步讨论各极电流与电压之间的关系，这个关系主要体现在三极管的特性曲线上。本小节主要讨论NPN三极管的共射特性曲线。
图2.6是三极管特性曲线测试电路示意图，图中RW用于调节IB，为了避免RW调到零时，IB过大而损坏三极管，串联一个保护电阻RB来限制IB。
图2.6 三极管特性曲线测试电路
1.输入特性曲线
当三极管接成共射组态时，以uCE为参变量，表示输入电流iB和输入电压uBE之间关系的曲线称为三极管的共射输入特性，其函数式为
（2.7）
图2.7（a）所示为硅三极管的共射输入特性曲线。当uCE=0时，从三极管的输入回路看，基极和发射极之间相当于两个PN结（发射结和集电结）并联，所以当B、E之间加上正向电压时，三极管的输入特性应为两个二极管并联后正向伏安特性（见左边一条特性）。
图2.7 三极管特性曲线
在相同的uBE下，当uCE从零增大时，iB将减小。这是因为uCE=0时，发射结和集电结均正偏，iB为两个正向偏置PN结的电流之和；当uCE增大时，集电结从正向偏置逐渐往反向偏置过渡，有越来越多的非平衡少数载流子到达集电区，使iB减小。
注意
当uCE继续增大时，使集电结反向偏置后，iB受uCE的影响减小，不同uCE值时的输入特性曲线几乎重叠在一起，这是由于基区很薄，在集电结反向偏置时，绝大多数非平衡少数载流子几乎都可以漂移到集电区，形成iC，所以当继续增大uCE时，对输入特性曲线几乎不产生影响。所以实际放大电路中，uCE大于等于1V的输入特性更有实用意义。
2.输出特性曲线
以iB为参变量，表示输出电流iC和输出电压uCE之间关系的曲线称为三极管的输出特性，其函数式为
（2.8）
图2.7（b）所示为硅三极管的共射输出特性曲线。曲线将三极管划分3个区域。
（1）截止区
一般将输出特性曲线iB≤0以下的区域，称为截止区。其特点：iB=0，iC≈0，uCE=VCC，三极管没有放大作用。对于硅管，当uBE<0.7V（即小于导通电压）时已开始截止，但为了截止可靠，常使uBE≤0，即发射结零偏或反偏，截止时，集电结也反向偏置（uBC<0），即发射结、集电结均处于反向偏置状态。
（2）放大区
输出特性曲线近似水平的部分是放大区。其特点：发射结正向偏置uBE>0（应大于导通电压），集电结反偏 uBC<0；iC大小受iB控制，且 ΔIC≫ΔIB，ΔIC=βΔIB，表明了三极管的电流放大作用，各条曲线近似水平，iC与uCE的变化基本无关，是近似的恒流特性，表明三极管相当于一受控电流源，具有较大的动态电阻。由于在放大区特性曲线平坦，间隔均匀，ΔIC与ΔIB成正比，所以放大区也称为线性区。这时uBE=0.6～0.8V（NPN硅管），uCE=VCC-iCRC。
（3）饱和区
输出特性曲线的直线上升和弯曲线部分是饱和区。其特点：iC不受iB控制，失去放大作用，发射结正向偏置uBE>0，集电极正向偏置uBC>0。临界饱和时uCE=uBE，过饱和时uCE<uBE。小功率硅三极管的饱和压降UCES<0.3V。
请用实验来测试图2.6所示电路中的三极管特性曲线（或用Multisim软件仿真）。
3.三极管的主要参数
三极管的电流放大系数是表征管子放大作用大小的参数。综合前面的讨论，有以下几个参数。
（1）电流放大系数
三极管的电流放大系数有直流和交流之分，且有共射接法和共基接法两种组态。交流电流放大系数（共射β）定义为集电极电流与基极电流的变化量之比；而（共基α）定义为集电极电流与发射极电流的变化量之比。直流放大系数（共射）定义为某一时刻集电极电流与基极电流之比，但两者的数值却差别不大，所以今后在计算中，两者不再严格区分。
（2）极间反向电流
集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO，表示当发射极E开路时，集电极C和基极B之间的反向电流。一般小功率锗三极管的ICBO约为几微安至几十微安，硅三极管的ICBO要小得多，有的可以达到纳安数量级。
集电极和发射极之间的穿透电流ICEO，表示当基极B开路时，集电极C和发射极E之间的电流，ICEO=（1+β）ICBO。一般小功率锗管的ICEO约为几十微安至几百微安，硅管的ICEO约为几微安。
提示
极间反向饱和电流是衡量三极管质量好坏的重要参数，其值越小，受温度影响越小，管子工作越稳定。
（3）极限参数
集电极最大允许电流ICM是指三极管集电极允许的最大电流，一般以 β 下降到其额定值的2/3时的IC值规定为集电极最大允许电流ICM。
集电极最大允许耗散功率PCM表示集电结上允许耗散功率的最大值。PCM=ICUCE。
当PC>
时，集电结会因过热而烧毁。锗三极管允许集电结温度为75℃，硅三极管允许集电结温为150℃。对于大功率管，为了提高，通常采用加散热装置的方法。
极间反向击穿电压U（BR）CEO指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压；U（BR）CBO指发射极开路时集电极与基极间的反向击穿电压。
在共射极输出特性曲线上，由极限参数ICM、U（BR）CEO、PCM所限定的区域如图2.8所示，通常称为安全工作区。为了确保三极管安全工作，使用时不能超出这个区域。
图2.8 三极管安全工作区
2.1.4 特殊三极管简介
除普通三极管外，还有一些特殊三极管，如光电三极管、光电耦合器等。
1.光电三极管
光电三极管是将光信号转换成光电流信号的半导体受光器件，并且还能把光电流放大，它又称为光敏三极管，其工作原理与光电二极管基本相同。
图2.9所示为光电三极管的外形示意图和电路符号。一般的光电三极管只引出两个管脚（E、C极），基极B不引出，管壳上也开有窗口，光电三极管也具有两个PN结，且有NPN型和PNP型之分。NPN型管使用时，E极接电源负极，C极接电源正极。在没有光照时，流过管子的电流（暗电流）为穿透电流（ICEO），数值很小，比普通三极管的穿透电流还小。当有光照时，由于光能激发使流过集电结的反向电流增大到IL，则流过管子的电流（光电流）为
（2.9）
图2.9 光电三极管外形与符号
可见，在相同的光照条件下，光电三极管的光电流比光电二极管约大 β 倍（通常光电三极管的 β=100～1000），因此光电三极管比光电二极管具有高得多的灵敏度。
光电三极管有3AU、3DU等系列，例如3DU5C光电三极管，它的最高工作电压为30V，暗电流小于0.2μA，在照度为1000lx时的光电流大于（等于）3mA，峰值波长900nm等。
归纳
光电三极管的基本应用是将光信号转换成电信号输出，可以制成光电三极管开关电路、转速测试、物体计数等电路。
2.光电耦合器
光电耦合器是将发光器件（LED）和受光器件（光电二极管或光电三极管等）封装在同一个管壳内组成的电-光-电器件，其符号如图2.10所示。
图2.10 光电耦合器符号
图中左边是发光二极管，右边是光电三极管。当在光电耦合器的输入端加电信号时，发光二极管发光，光电管受到光照后产生光电流，由输出端引出，于是实现了电-光-电的传输和转换。光电耦合器的主要参数有输入参数、输出参数、传输参数等。
①输入参数就是发光二极管的参数。
②输出参数与使用的光电管基本相同，这里只对光电流和饱和压降加以说明。
光电流是指光电耦合器输入一定的电流（一般为10mA）、输出端接有一定负载（约500Ω）、并按规定极性加一定电压（通常为10V）时，在输出端所产生的电流；对于由光电三极管构成的耦合器，光电流为几毫安以上；由光电二极管构成的耦合器，则光电流约为几十微安到几百微安。
饱和压降是指由光电三极管构成的光电耦合器中，输入一定电流（一般为20mA），输出回路按规定极性加一定电压（10V），调节负载电阻，使输出电流为一定值（一般为2mA）时的光电耦合器输出端的电压，其值通常为0.3V。
③传输参数有CTR，RISO、UISO。
电流传输比CTR：指在直流工作状态下，光电耦合器的输出电流与输入电流之比，在不加复合管时，CTR总是小于1。
隔离电阻RISO：指输入与输出之间的绝缘电阻，一般为109～1013Ω。
极间耐压UISO：指发光二极管与光电管之间的绝缘耐压，一般都在500V以上。
光电耦合器的种类繁多，有普通的光电耦合器和线性耦合器之分。普通的光电耦合器常用作光电开关，如GD-11～GD-14、CD-MB等。线性光电耦合器输出信号随输入信号成线性比例变化，它有GD2203等型号。
归纳
光电耦合器以光为媒介实现电信号传输，输出端与输入端之间在电气上是绝缘的，因此抗干扰性能好，能隔噪声，而且具有响应快、寿命长等优点，用作线性传输时失真小、工作频率高；用作开关时，无机械触点疲劳，具有很高的可靠性；它还能实现电平转换、电信号电气隔离等功能。因此，它在电子技术等领域中已得到广泛的应用。
思考题
1.给出双极型三极管的三个区的名称，其中何种结构将三个区域分开？
2.给出正向和反向偏置的定义。
3.三极管实现电流放大的内部条件和外部条件是什么？
4.三极管输出特性曲线分为几个区域？工作在各区域的条件和特点是什么？
5.三极管的安全工作区是如何确定的？使用三极管应注意哪些问题？
6.光电耦合器的有什么特点。