1.3　半导体三极管

半导体三极管又称为晶体三极管、双极型晶体管，简称为晶体管或三极管。它具有电流放大作用，是构成各种电子电路的基本器件。几种常见的三极管外形如图1.28所示。

1.3.1　三极管的结构、电路符号及分类

1.结构及结构特点

半导体三极管是通过一定的工艺，由同一块半导体基片上的三层杂质半导体形成的两个PN结构成。从结构上分，有NPN型管和PNP型管两种类型，无论哪种类型，晶体管都有三个区、三个极和两个PN结。其结构示意图如图1.29所示。

中间共用层称为基区，外面两层分别称为发射区和集电区；从三个区各引出一个电极，分别称为基极（b）、发射极（e）和集电极（c）；基区与集电区之间的PN结称为集电结，基区与发射区之间的PN结称为发射结。

由于PN结之间的相互影响，使半导体三极管表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。三极管结构工艺上的特点是：发射区的掺杂浓度高，基区很薄且掺杂浓度低，集电区的结面积大、掺杂浓度较低。所以三极管的各极不能互换使用。这些特点也是保证三极管具有电流放大作用的内部条件。

2.电路符号

三极管的电路符号如图1.29所示。箭头所在的电极为发射极，箭头的方向表示发射结正偏时发射极电流的实际方向，同时箭头方向也是区分NPN和PNP型管的标志，箭头向外的为NPN管，向内的为PNP管；无论三极管在电路图中如何放置，与发射在同一侧的为集电极，单独在另一侧的为基极。三极管的文字符号为VT。

3.分类

三极管的种类很多，通常有下列几种分类形式：

（1）按结构类型可分为NPN管和PNP管。

（2）按制作材料可分为硅管和锗管。

（3）按工作频率可分为高频管和低频管。

（4）按功率大小可分为大功率管、中功率管和小功率管。

（5）按工作状态可分为放大管和开关管。

1.3.2　三极管的电流分配关系及电流放大作用

1.三极管的工作条件和基本组态

三极管要实现放大作用，除了要具有上述的内部条件外，还必须具备一定的外部条件，就是给三极管中的两个PN结加上合适的工作电压。无论是NPN管还是PNP管，三极管工作在放大状态的外部条件是：发射结加正向电压（正偏），集电结加反向电压（反偏）。对NPN管来说，三极管三个电极上的电压关系应为UC>UB>UE；对PNP管来说，应为UC<UB<UE。

因为放大电路的输入回路和输出回路各有两个端子，所以三极管在接成放大电路时，三个电极中必有一个电极作为输入回路和输出回路的公共端并接地，另两个电极一个作输入端，一个作输出端。所以，三极管在电路中就有三种不同连接方式，称为三种组态，即共基极组态、共发射极组态和共集电极组态，如图1.30所示。

2.三极管的电流分配关系及电流放大作用

三极管具有电流放大作用，各极电流之间有一定的规律，下面以NPN型三极管为例，通过一个实验来说明三极管的电流分配关系和放大作用，实验电路如图1.31所示。

图中直流电源UBB和基极偏置电阻RB构成三极管的基极回路，使发射结正偏；同时电源UCC、集电极电阻RC以及集电极、发射极构成集电极回路，使集电结反偏。这样确保三极管工作在放大状态。同时，发射极是两个回路的共用电极，所以这种连接是共发射极组态。

改变RB的阻值，通过串接在三个电极中的电流表，可测得相应的基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE，结果见表1.2。

分析比较表中的数据，可得出如下结论：

（1）由每一列的数据可得三极管发射极电流等于基极电流与集电极电流之和，即

IE=IB+IC

三极管各极电流之间关系满足基尔霍夫电流定律。

（2）基极电流IB比集电极电流IC和发射极电流IE要小得多，故发射极电流与集电极电流近似相等，即

IE≈IC>>IB

（3）当电流达一定值时，IC与IB比值基本趋于一个常数，比如表1.2中第四、五列IC与IB比值分别为

（4）当基极电流产生微小变化ΔIB时，会引起集电极电流产生较大变化ΔIC，而且ΔIC与ΔIB的比值趋于一个常数。如由表1.2中第三列和第四列的数据、第四列和第五列的数据可得

（5）从表1.2还可知，当IB=0（基极开路）时，集电极电流的值很小，称此电流为三极管的穿透电流ICEO。穿透电流ICEO越小越好。

由上述的分析可看出，三极管工作在放大状态时，基极输入一个较小的电流，集电极就能得到一个很大的电流；基极电流很小的变化就能引起集电极电流成比例很大的变化，这就是三极管的电流控制与放大作用。正因如此，晶体三极管被称为电流控制器件。

把集电极电流IC与基极电流IB的比值称为三极管共发射极直流电流放大系数，用表示，即

把集电极电流变化量与基极电流变化量之比称为三极管共发射极交流电流放大系数，用β表示，即

在数值上β与 相差很小，即 。无特别说明时使用β表示三极管的电流放大能力，即IC=βIB（或ΔIC=βΔIB）。

PNP管与NPN管的工作过程类似，只是所加的工作电压极性、产生的电流方向与NPN管刚好相反。

【例1.5】　工作在放大状态的三极管的两个电极上的电流如图1.32所示。求：（1）另一个电极上的电流，并标出其实际方向；（2）确定各管脚的电极，判断三极管的管型；（3）估算三极管的β值。

【解】　（1）因为三极管各极电流满足基尔霍夫电流定律，即流入和流出三极管的电流大小相等。在图1.32（a）中①脚和②脚的电流均为流入三极管，因此③脚电流必然为流出三极管，大小为0.1+4=4.1（mA）。

（2）因③脚电流最大，①脚电流最小，故③脚为发射极，①脚为基极，②脚为集电极。由于该管发射极电流的实际方向是向外的，因此它是NPN型管。

（3）因为IB=0.1mA，IC=4mA，IE=4.1mA，故得

1.3.3　三极管的伏安特性曲线

三极管各极电压与电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线。它是三极管内部特性的外部表现，是分析由三极管组成的放大电路和选择管子参数的重要依据。晶体三极管的伏安特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线两部分。三极管在电路中的连接方式（组态）不同，其特性曲线也不同。用NPN型管组成的共发射极测试电路如图1.33所示。

1.输入特性曲线

输入特性曲线是指当集电极和发射极之间的电压UCE保持不变时，基极电流IB与基极和发射极之间的电压UBE之间的关系曲线如图1.34所示。其特点是：

（1）当UCE=0时，相当于集电极和发射极短路，三极管相发射结和集电结两个二极管正向并联，输入特性类似于二极管的正向伏安特性。

（2）当UCE增大后，输入特性曲线向右移动，表示UCE对输入特性有影响；当UCE>1V后，曲线基本重合在一起。由图1.34可见，三极管的输入特性曲线和二极管的伏安特性曲线基本一样，也存在死区电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。三极管正常工作放大状态时，发射结上的导通压降变化不大，硅管约为0.7V左右，锗管约为0.3V左右。

2.输出特性曲线

输出特性曲线是指基极电流IB保持不变时，集电极电流IC与集电极和发射极之间的电压UCE之间的关系曲线。当IB取不同值时，可以得到不同的曲线，因此三极管的输出特性曲线不是一条，是一族曲线，如图1.35所示。

每一条曲线（IB保持某一数值不变）起始时都是IC随着UCE的增大而增大，当UCE超过一定数值（约1V）后，UCE再增大，IC也不再有明显增加，表现出恒流性质；当UCE大于1V后保持不变时，IB增大，曲线上移，相应的IC也增大，而且IC比IB增加的多得多，这表示三极管具有电流放大的特性。

通常三极管的输出特性曲线分为三个区：截止区、放大区和饱和区，相对应三极管有三种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态。

1）截止区

IB=0所对应的曲线以下的区域称为截止区。三极管工作在截止区（截止状态）的条件是：发射结反偏，集电结反偏。截止区（截止状态）的工作特点为：IB=0，IC=ICEO≈0，无电流放大作用。截止时，三极管各极之间相当于开关断开。

2）放大区

IB=0以上，曲线近似水平部分的区域为放大区。三极管工作在放大区（放大状态）的条件：发射结正偏，集电结反偏。三极管在放大区（放大状态）的工作特点：IB>0，IC>0，且IC=βIB（或ΔIC=βΔIB），有电流放大作用；IC只受IB控制，几乎与UCE的大小无关，三极管的IC电流具有恒流特性。放大状态时，三极管可看做受基极电流控制的受控电流源。

3）饱和区

靠近纵轴，曲线呈直线上升的区域称为饱和区。三极管工作在饱和区（饱和状态）的条件：发射正偏，集电结正偏；该区UCE很小，把UCE=UBE，即集电结为零偏（UCB=0）时的状态称为临界饱和。饱和区的工作特点是：IB>0，IC>0，但ΔIC≠βΔIB。曲线上，当IB一定时，IC随UCE的增加而迅速上升，当UCE一定时，IC不随IB的变化而变化，即IB失去了对IC的控制，三极管无放大作用。临界饱和时IC≈βIB。饱和时的UCE值称为三极管的饱和压降UCES，硅管UCES≈0.3V，锗管UCES≈0.1V。饱和时三极管各极间电压都很小，相当于开关闭合。

三极管放大区一般称为线性工作区，常用于模拟电路中；把截止区和饱和区称为非线性区，非线性区的特性又称为三极管的开关特性，常用于数字电路中。

【例1.6】　用直流电压表测量某放大电路中某个三极管各极对地的电位分别是：U1=2V，U2=6V，U3=2.7V。试判断三极管各对应电极与三极管类型。

【解】　本题的已知条件是放大状态下三极管三个电极的电位，根据三极管能正常实现电流放大的条件可得三个电极电位关系是：NPN型管UC>UB>UE，PNP型管UC<UB<UE，且硅管放大时UBE约为0.7V，锗管UBE约为0.2V。可得这类问题的分析步骤为：

（1）首先确定基极：电位居中的电极为基极b。

（2）再确定发射极：与基极电位相差0.7V或0.3V左右的电极为发射极e；同时可确定出管材：若电位差为0.7V左右，则是硅管；若电位差为0.3V左右，则是锗管。所剩电位对应电极为集电极c。

（3）最后确定管型：若UC>UB>UE，则是NPN型管；若UC<UB<UE，则是PNP型管。

题中，U3=2.7V电位居中，故其所在电极为基极；U1=2V与基极电位相差0.7V，故其所在电极为发射极，同时UBE=0.7V，故该管为硅材料管；所剩U2=6V所在电极为集电极，因有UC>UB>UE，故知该管为NPN型管。

【例1.7】　电路如图1.36所示，已知UBE=0.7V，UCES=0.3V，试确定当开关S分别位于a、b、c三个位置时，三极管的工作状态，计算相应IB、IC和UCE的值。

【解】　（1）当S置于a点时，三极管发射结无外加电压处于零偏，集电结反偏，因此三极管处于截止状态。可知

IB=0，IC≈0，UCE=12-1×0=12（V）

（2）当S置于b点时，发射结正偏，但集电结的偏置状态不能确定，因而不能用结电压的方法确定管子的工作状态，需用电流来判断，方法是：先求出三极管临界饱和时所需的基极电流IBS值，因临界饱和时有ICS≈βIBS，又因为饱和时UCE=UCES=0.3V，所以

再求出外电路实际给三极管提供的基极电流IB的值，若IB>IBS，则三极管工作在饱和状态，若IB<IBS，则三极管工作在放大状态。题中

即IB>IBS，故三极管工作在饱和状态，有

UCE=UCES=0.3V

（3）当S置于c点时，发射结正偏，有

三极管工作在放大状态，有

UCE=UCC-ICRC=12-7.67×1=4.33（V）

1.3.4　三极管的主要参数

伏安特性完整地表示了晶体三极管的特性，实践中人们还常常用一组数据来描述三极管的性能，这些数据就是三极管的参数，可以通过查半导体手册得到。这些参数用来表示晶体三极管的各种性能指标，是我们合理地选择和正确使用三极管的依据，其主要的参数有以下几个。

1.电流放大系数

电流放大系数是反映三极管电流放大能力强弱的参数，主要有共发射极直流电流放大系数和交流电流放大系数β，即

这两个参数意义虽不同，但其数值非常接近，在工程计算上一般认为

由于制造工艺的分散性，即使同一型号的三极管，β值也有很大差别，常用的β值在20～100。选择三极管时，如果β值太小，则电流放大能力差；若β值太大，则会使工作稳定件变差。

2.极间反向电流

（1）反向饱和电流ICBO是指发射极开路，集电结在反向电压作用下形成的反向饱和电流。因为该电流是由少子定向运动形成的，所以它受温度变化的影响很大。常温下，小功率硅管的ICBO<1μA，锗管的ICBO在10μA左右。ICBO的大小反映了三极管的热稳定性，ICBO越小，说明其稳定性越好。因此，在温度变化范围大的工作环境中，应尽可能地选择硅管。

（2）穿透电流ICEO是指基极开路，集电极与发射极间加上一定数值的反偏电压时，由集电区穿过基区流入发射区的电流。它与ICBO的关系为

ICEO=（1+β）ICBO

ICEO也是衡量三极管质量的重要参数，它受温度影响也很大，温度升高，ICEO增大。当ICEO不能忽略时，工作在放大区三极管的集电极电流表达式应为

IC=βIB+ICEO

硅管的ICEO比锗管的小，选管时，一般应优先选用硅管。

3.三极管的极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM

当集电极电流太大时，三极管的电流放大系数β值下降。把集电极电流增大到使β值下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM。为了保证三极管的正常工作，在实际使用中，流过的集电极电流iC必须满足iC<ICM。

（2）反向击穿电压U（BR）CBO、U（BR）CEO和U（BR）EBO

U（BR）CBO是指当发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压，是发射结所能承受的最高反向电压。

U（BR）CEO是指当基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。实际使用中，必须满足UCE<U（BR）CEO，否则三极管会击穿损坏。

U（BR）EBO是指当集电极开路时，发射极与基极之间的反向击穿电压，是发射结所能承受的最高反向电压。

（3）集电极最大允许耗散功率PCM

集电极最大耗散功率是指三极管正常工作时允许的最大消耗功率。三极管消耗的功率PC=ICUCE转化为热能损耗于管内，并主要表现为温度升高。当三极管消耗的功率超过PCM值时，其发热量将使管子性能变差，甚至烧坏管子。因此，在使用三极管时，PC必须小于PCM才能保证管子正常工作。

1.3.5　三极管的识别、检测及使用注意事项

1.三极管的识别、检测

三极管的管型、材质、管脚的识别可以通过管壳上的符号、标识来加以识别，不同性能、不同材料封装的三极管的管脚排列都有一定的规律，平时接触三极管时要多积累这方面的经验。下面主要介绍外观上不能识别，用万用表测试三极管的方法。

1）三极管管脚、管型的检测判别

三极管内部有两个PN结，可以用万用表R×100Ω或R×1kΩ挡测量PN结的正反向电阻来确定三极管的管脚、管型。

（1）检测判定基极b和三极管的类型：首先假设三极管任一电极为基极b，并将黑表笔接在假定的基极上，再将红表笔先后接另两个电极上分别测得两个电阻，如果两次测得的阻值都很大（或都很小），而将黑、红表笔对换后测得的另两个电阻值又都很小（或都很大），则假设的基极就是三极管的基极b。如果测得的阻值一大一小，说明假设错误，这时必须重新假设另一电极为基极，再重复上述的测试，直至出现上述的结果，找到真正的基极b。

基极确定后，将黑表笔接基极，红表笔接其他两极中的任一电极。若测得的电阻值都很小，则该管是NPN型管；若测得的电阻值都很大，说明是PNP型管。

（2）检测判定集电极c和发射极e：万用表拨到R×100Ω或R×1kΩ挡，红、黑表笔分别接没有确定的两个电极上，对NPN管，用手捏住b极和黑表笔所接电极（注意两电极不能接触上），同时观察万用表指针偏转情况。然后将红、黑表笔对调再测一次，阻值小（指针偏转大）的那一次黑表笔接的为集电极c，红表笔接的为发射极e；对于PNP管，用手捏住b极和红表笔所接电极（注意两电极不能接触上），同样测两次，阻值小（指针偏转大）的那一次红表笔所接为集电极c，黑表笔所接为发射极e。

2）对已知管型、管脚排列三极管的性能简单判别（以NPN型为例）

（1）好坏的检测：把万用表拨到R×100Ω或R×lkΩ挡，测基极对另外两个电极的电阻，然后将红、黑表笔对调，再测一次基极对另外两极的电阻，两次中，若一次测得的电阻都很大，另一次测得的电阻又都很小，说明是好管；否则就是坏管，或管子性能变差。

（2）ICEO的估测：用万用表拨到R×100Ω或R×lkΩ挡，黑表笔接集电极，红表笔接发射极，测c、e间的电阻。测得的电阻越大，ICEO越小，管子性能越好；若测得阻值小或测试时万用表的指针来回晃动，则表明ICEO很大，管子的性能不稳定。

（3）估测放大倍数β：目前有些万用表带有β值测试功能，把被测三极管插入测试插孔即可测出管子的放大倍数。对无此功能万用表，可用R×100Ω或R×1kΩ挡来判断三极管有无放大能力及放大能力的大小。黑表笔接c极，红表笔接e极，然后用手捏住b极和c级（b、c不能直接接触），在此过程中观察表头指针的摆动幅度，若指针无摆动，说明无放大能力；若指针有摆动，说明三极管有放大能力，且指针摆动幅度越大，表明放大倍数越大。

3）大功率三极管的检测

上述方法对检测大功率三极管也是基本适用的，不过大功率三极管的反向饱和电流较大，所以使用万用表应用R×10Ω或R×1Ω挡。

2.三极管使用注意事项

（1）为保证三极管安全稳定的工作，应使三极管的IC<ICM，PC<PCM，UCE<U（BR）CEO。

（2）在温度变化大的环境中使用三极管，要求反向电流小时，应选硅管；当要求导通电压低时，应选锗管。

（3）三极管用于放大电路时，应选用反向电流小的，而且β值也不宜过大，一般以几十至一百左右为宜。

（4）当输入信号频率高时，应选用高频管；若用于开关电路，应选用开关管。

（5）晶体三极管有大功率管和小功率管之分，要根据电路中负载的大小选择合适的功率管。