1.2 晶体三极管
1.2.1 晶体三极管的结构与符号
1.晶体管的结构
晶体三极管也称双极型晶体管（BJT），又称半导体三极管，以下简称三极管。
三极管是在一块很小的半导体基片上，用一定的工艺制作出两个反向的PN结，这两个PN结将基片分成三个区，从三个区分别引出三根电极引线，再用管壳封装而成。
三极管的三个区分别称为发射区、基区和集电区。由它们引出的三根电极引线分别称为发射极e、基极b、集电极c。发射区与基区间的PN结称为发射结，集电区与基区间的PN结称为集电结。发射区用来发射载流子，故其杂质浓度较大；集电区用来收集从发射区发射过来的载流子，故其结面积较大；基区位于发射区与集电区之间，用来控制载流子通过，以实现电流放大作用，其厚度很薄（几个微米），且杂质浓度很低，目的是减小基极电流，增强基极的控制作用。
2.晶体三极管的分类
根据基片的材料不同，三极管分为锗管和硅管两大类。
根据三层半导体的组合方式，又分为PNP型和NPN型，目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列）。
3.晶体三极管的符号
如图1-36所示是三极管的结构示意图和图形符号。其中图（a）是NPN型管的结构示意图，图（b）是NPN型管和PNP型管的符号。
图1-36 三极管结构示意图及图形符号
图1-37所示是几种三极管的外形，均有三个电极。对大功率管，管壳作集电极。且为保证三极管均具有电流放大作用，在制作三极管时，使得发射区的掺杂浓度高，基区很薄且掺杂浓度低，集电结面积大。
图1-37 常用晶体管的外形
知识链接
1.三极管质量好坏的简易判断
用万用表粗测三极管的极间电阻，可以判断管子质量的好坏。在正常情况下，质量良好的中、小功率三极管发射结和集电结的反向电阻及其他极间电阻较高（一般为几百千欧），而正向阻值比较低（一般为几百欧至几千欧）可以由此来判断三极管的质量。
2.判别三极管是锗管还是硅管
硅管的正向压降较大（0.6～0.7V），而锗管的正向压降较小（0.2～0.3V）。若测得的压降为0.5～0.9V即为硅管，若压降为0.2～0.3V则为锗管。
1.2.2 晶体三极管的电流放大作用
1.三极管工作在放大状态的条件
为使三极管具有电流放大作用，除具备上述内部条件外，还应有适当的外部条件，这要求外加电压保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。
因此，对NPN型管，要求UC＞UB＞UE；对于PNP管，要求UC＜UB＜UE。根据上述偏置要求，外加电源与管子的连接方式如图1-38所示。通常发射结所在回路称为三极管的输入回路，集电结所在的回路称为三极管的输出回路，图1-38中发射极E为输入、输出回路的公共端，这种连接方式称为共发射极接法，相应电路称为共射极电路。
图1-38 外加电源与三极管的连接方式
2.晶体三极管各极电流
（1）发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE
由于发射结加正向电压，发射区的自由电子（多数载流子）不断扩散到基区，并从电源不断向发射区补充电子，形成发射极电流IE。
（2）电子在基区复合，形成基极电流IB
由于基区很薄，多子空穴浓度很低，从发射区注入基区的电子，大部分扩散到集电结附近，只有少数电子与基区空穴复合，复合掉的空穴由基极电源补充，形成很小的基极电流IB。
（3）集电区收集电子，形成集电极电流IC
由于集电结反偏，对发射区来的电子有很强的吸引力，使电子越过集电结，形成集电极电流IC。
如图1-39所示是三极管各极电路示意图。
图1-39 放大工作时NPN型晶体管中各极电流
3.晶体三极管各极电流的关系
根据KCL，发射极电流等于集电极电流与基极电流之和，即IE=IC+IB。 基区回路电流IB很小（小功率管为μA级），集电极回路电流IC较大（小功率管为mA级），IC与IB的比值称共发射极直流电流放大系数，以
表示，即
（1-20）
它表示基极电流IB对集电极电流IC的控制能力，所以，三极管是一个电流控制器件。
由上两式可得
，若在基极输入一个交流信号，基极电流发生微小的变化ΔIB，通过基极电流对集电极电流的控制作用，集电极电流有较大的变化ΔIC，其比值称共发射极交流电流放大系数β，即
（1-21）
知识链接
三极管e、b、c极的判别
在不知道三极管封装的情况下用指针式万用表一般都可以测出e、b、c极。从三极管构造来说无论PNP还是NPN，b极总是在两个PN结的中间，所以可以用这样的方法来判断b极。
万用表设定在R×1k电阻挡，黑表笔接任意一个管脚，然后用红表笔分别接另外两个管脚，比较两次测量的电阻，如果测得两个电阻值相差很大，则黑表笔换另外一个管脚，重复上述动作。直到两次测量的电阻相差不多时，此时，黑表笔所接的脚是b极，而且两次测得电阻都很大为PNP管，都很小为NPN管。
在判别出管型和基极b后，可用下列方法来判别集电极和发射极。将万用表拨在R×1k挡上。用手将基极与另一管脚捏在一起（注意不要让电极直接相碰，相当于在基极与另一管脚上接了100kΩ的电阻），如图1-40所示。为使测量现象明显，可将手指湿润一下，将红表笔接在与基极捏在一起的管脚上，黑表笔接另一管脚，注意观察万用表指针向右摆动的幅度。然后将两个管脚对调，重复上述测量步骤。比较两次测量中表针向右摆动的幅度，找出摆动幅度大的一次。对PNP型三极管，则将黑表笔接在与基极捏在一起的管脚上，重复上述实验，找出表针摆动幅度大的一次，对于NPN型，黑表笔接的是集电极，红表笔接的是发射极。对于PNP型，红表笔接的是集电极，黑表笔接的是发射极。这种判别电极方法的原理是，利用万用表内部的电池，给三极管的集电极、发射极加上电压，使其具有放大能力，在这里要注意黑表笔连接的万用表内部的电池的正极，红表笔连接的万用表内部的电池的负极。用手捏其基极、集电极时，就等于通过手的电阻给三极管加一正向偏流，使其导通，此时表针向右摆动幅度就反映出其放大能力的大小，因此可正确判别出发射极、集电极来。
图1-40 三极管管型和电极判断
1.2.3 晶体三极管的特性曲线
三极管特性曲线指三极管各极电流与极间电压的关系，通常以输入特性和输出特性曲线表示。它们可由晶体管特性图示仪直接显示，也可通过实验电路测试，如图1-41所示。特性曲线显示了三极管的外部特性，是分析三极管电路的依据之一。下面就讨论以共射极接法为例时的输入和输出特性。
图1-41 共射极接法电路
1.输入特性曲线
输入特性曲线是指集-射电压uCE为一定值时，基极电流iB随基-射电压uBE变化的曲线，即iB=f（uBE）|uCE=常数，如图1-42所示是某NPN型硅管的输入特性曲线。
图1-42 输入特性曲线
输入特性曲线相似于二极管正向伏安特性，所以，是非线性的。在发射结电压uBE大于死区电压时才导通，导通后uBE很小的变化将引起iB很大的变化，而具有恒压特性，uBE近似为常数。
当uCE从零增大为1V时，曲线明显右移，而当uCE≥1V后，曲线重合为同一根线。在实际使用中，多数情况下满足uCE≥1V，因此通常用的是最右边这根曲线，由该曲线可见，硅管的死区电压约为0.5V，导通电压约为0.6～0.8V，通常取0.7V。
对于锗管，则死区电压约为0.1V，导通电压约为0.2～0.3V，通常取0.2V。
2.输出特性曲线
输出特性曲线是指基极电流iB为一定值时，集电极电流iC随集-射电压uCE而变化的曲线，即
如图1-43所示是输出特性曲线。在iB取不同值时，得到一簇形状相似、上下移动输出特性曲线。特性曲线起始部分较陡，uCE稍有增加，iC增加很快。当uCE增加到1V以上，uCE再增加时，iC变化不大，曲线接近水平。根据三极管工作状态不同，可在输出特性曲线划分三个工作区域。
图1-43 输出特性曲线
（1）放大区
三极管放大状态的工作条件是发射结正向偏置，集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足UC＞UB＞UE，对于PNP型三极管应满足UC＜UB＜UE。三极管处于放大状态时，各级电流满足以下关系：
（2）截止区
三极管截止状态的工作条件是发射结零偏或反偏，集电结反偏。此时IB≈0，IC≈0，因此三极管B-E，C-E之间呈高阻相当于一个断开的开关。
实际上，发射结正向电压小于死区电压时，三极管已经进入截止状态。
（3）饱和区
三极管饱和时发射结、集电结均正向偏置，此时UBE＞导通电压，UCE≤UBE。由于饱和时三极管的管压降很小，不能使集电结反向偏置，因此集电结收集电子的能力减弱， iC不受iB控制而随着uCE的减小迅速减小。当UCE=UBE时，管子工作于放大饱和的分界点，称为临界饱和，临界饱和时仍具有放大作用。饱和时C与E间的压降记作UCES，称饱和电压，对于小功率NPN型硅管，UCES≈0.3V，锗管约0.1V。所以，饱和时集电极电流为
，此时三极管B-E、C-E之间呈低阻，相当于一个闭合的开关。
放大区、截止区和饱和区都是三极管的正常工作区，三极管作放大使用时，工作在放大区；三极管作开关使用时，工作在饱和区和截止区。
【例1-3】 电路如图1-44所示，试问β大于多少时晶体管饱和？
图1-44 例1-3题图
解：取UCES=UBE，若管子饱和，则根据公式
所以，
时，管子饱和。
1.2.4 晶体管的主要参数
晶体管参数可用来说明管子的性能和适用范围，可作为设计电路和选用晶体管的依据。以共发射极为例其主要参数有如下几个。
1.电流放大系数
它是反映晶体管电流放大能力的基本参数，又分为直流电流放大系数
和交流电流放大系数β。
（1）直流电流放大系数
对于共发射极放大电路，在静态（无输入信号）情况下，集电极电流iC（输出电流）和基极电流iB（输入电流）比值，称为共发射极直流（静态）电流放大系数，用
表示，可写为：
（1-22）
（2）交流电流放大系数β
当晶体管接成共发射极电路时，在动态（有输入信号）情况下，基极电流变化量为 ΔiB，它引起集电极电流的变化量为ΔiC，ΔiC与ΔiB的比值，称为共发射极交流（动态）电流放大系数，用β表示，即：
（1-23）
与β的含义不同，但通常在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值相近，所以，在近似估算时，可以不作严格区分。小功率管的β值常在10～200之间，为使用方便，制造厂家常在管壳上标明色点，作为β值的分档标志。β值太小，管子放大作用差，反之，β值过大，则晶体管的稳定性差。
2.极间反向电流
（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO
ICBO可通过图1-45所示电路测量。它是发射结断开时，集电极和基极间的反向饱和电流，是少数载流子漂移形成的，受温度影响大。在室温下，小功率硅管的ICBO小于1μA，锗管约为几微安到几十微安。
图1-45 ICBO测量电路
（2）集电极-发射极穿透电流ICEO
ICEO可通过图1-46所示电路测量。它是基极开路、集电极和发射间的反向电流，它是ICBO的1+倍。所以，ICEO受温度影响更大，为此，在选管子时，要求选用ICEO较小的管子，而且也不宜太大。小功率硅管的ICEO在几微安以下，锗管约为几十微安至几百微安。
图1-46 ICEO测量电路
极间反向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，所以，硅管要比锗管稳定。
3.三极管的极限参数
三极管的极限参数是当三极管正常工作时，最大电流、电压和功率等的极限数值，关系到三极管的安全运用问题。如图1-47所示是晶体三极管的安全工作区域。
图1-47 晶体三极管的安全工作区域
（1）集电极最大允许电流ICM
当集电极电流超过一定数值后，β将明显下降，通常取β值下降到额定值2/3时，所对应的集电极电流值，称集电极最大允许电流。使用中，若iC略大于ICM时，管子不一定损坏，但其β值显著下降了。
一般小功率管的ICM约为几十毫安，大功率管可达几安。
（2）集电极-发射极反向击穿电压U（BR）CEO
基极开路时，允许加在集-射极间的最高反向电压。使用时，当uCE超过U（BR）CEO时，三极管将被击穿而损坏。其通常值为几伏到几百伏。
（3）集电极最大允许耗散功率PCM
集电极电流通过管子时产生功耗，其值为PCM=iCuCE。由于集电结反偏，管压降大部分降在集电结上，使集电结发热，结温升高。PCM为集电极最大允许功耗，使用时，超过此极限值将使管子性能变差，甚至烧毁管子。
小功率管的PCM＜1W，大功率管的PCM＞1W。PCM与散热条件和环境温度有关。
根据PCM=iCuCE可在输出特性曲线上画出管子的集电极最大允许耗散功率线，如图1-47所示。曲线左侧的集电极耗散功率小于PCM，为安全工作区；曲线右侧的集电极耗散功率大于PCM，为过损耗区。PCM、U（BR）CEO和ICM这三个极限参数，决定了三极管的安全工作区域。
1.2.5 温度对晶体管三极管特性曲线的影响
温度主要影响导通电压、β和ICBO，当温度升高时，导通电压减小，β和ICBO增大，其变化规律为：温度每升高1℃，导通电压值减小2～2.5mV，β增大0.5%～1%；温度每升高10℃，ICBO约增加一倍。