1.5 半导体三极管

半导体三极管简称三极管或晶体管，是一种内含两个PN结，外部通常有三个引出电极的半导体器件，在电路中通常用“VT”（旧文字符号用“Q”、“BG”等）字母表示。

半导体三极管又称为晶体三极管（简称三极管），是电子电路中应用最广泛的器件之一。图1-27是部分常用三极管的外形。

1. 三极管的基本结构

三极管是由两个相距很近的PN结组成的，如图1-28所示，它有三个区：发射区、基区和集电区，各自引出一个电极称为发射极（用字母E或e表示）、基极（用字母B或b表示）、集电极（用字母C或c表示）。

（1） 三极管的结构特点

根据内部三个区域半导体类型的不同，三极管可分为PNP型和NPN型两大类。

[1] 如果基区是N型，发射区和集电区都是P型，是PNP型三极管，如图1-28（a）所示。

[2] 如果基区是P型，发射区和集电区都是N型，是NPN型三极管，如图1-28（b）所示。

每个三极管内部都是由两个PN结为主构成的，发射区和基区之间的PN结，称为发射结；集电区和基区之间的PN结，称为集电结。

（2） 三极管的工艺特性

在制造三极管的过程中，对其内部三个区域（发射区、基区和集电区）都有一定的工艺要求，必须保证它们具有下列的特点。

[1] 发射区掺杂浓度大于基区的掺杂浓度，以利用发射区向基区发射载流子。

[2] 基区做得很薄（几微米～几十微米），掺杂少，这种载流子通过基区时，只有极少数被复合。

[3] 集电区比发射区体积大且掺杂少，有利于收集载流子。

基于上述特点，可知三极管并不是两个PN结的简单组合，它不能用两个二极管代替，一般也不可以将发射极和集电极颠倒使用。

（3） 三极管各电极的作用及电流分配

三极管三个电极的作用分别为：

[1] 发射极（E或e极）用来发射电子。

[2] 基极（B或b极）用来控制发射极发射电子的数量。

[3] 集电极（C或c极）用来收集电子。

三极管的发射极电流Ie与基极电流Ib、集电极电流Ic之间的关系为：

Ie=Ib+Ic

2. 三极管的电路图形符号

NPN型三极管和PNP型三极管的电路图形符号，如图1-29所示。图中发射极e（以下均以小写字母为例）的箭头，表示发射结加正向电压时的电流方向，对照图1-28所示结构不难看出：

[1] NPN型三极管发射极箭头应指向管外（由基区指向发射区）。

[2] PNP型三极管发射极箭头应指向管内（由发射区指向基区）。

NPN型和PNP型三极管可以用锗材料制成，也可用硅材料制成。NPN型管多数为硅管，PNP型管多数为锗管。常用三极管型号来表示它的制造材料、基本性能和用途。

3. 三极管的类型

三极管的品种繁多，根据其分类方式的不同，主要有以下各类。

（1） 根据半导体材料和极性分类

[1] 根据三极管使用的半导体材料分类，可分为硅材料三极管和锗材料三极管。

[2] 根据三极管的极性分类，可分为锗NPN型三极管、锗PNP型三极管，硅NPN型三极管、硅PNP型三极管。

（2） 根据结构及制造工艺分类

三极管根据其制造工艺可分为扩散型三极管、合金型三极管以及平面型三极管。

（3） 根据封装方式分类

三极管根据封装方式分类，可分为塑料封装（简称塑封）、金属封装、玻璃壳封装（简称玻封）、陶瓷封装以及表面封装（即片状）三极管等。

（4） 根据功能和用途分类

三极管根据其功能和用途分类，可分为低噪声放大三极管、低频放大三极管、中频和高频放大三极管、开关三极管、达林顿三极管、高反压三极管、带阻尼二极管的三极管、带电阻器的三极管、磁敏三极管，光敏三极管、微波三极管等。

（5） 根据功率分类

三极管根据其功率大小分类，可分为小功率三极管、中功率三极管和大功率三极管三类。

（6） 根据工作频率分类

三极管根据其工作频率的不同来分类，可分为低频三极管、高频三极管及超高频三极管等。

4. 三极管的基本工作条件

三极管属于电流控制型半导体器件，它的放大特性主要是电流放大的能力。所谓放大能力是当三极管的基极电流发生较小变化时，其集电极电流将发生较大的变化；或当三极管具备了工作条件后，若从基极加入一个较小的信号，则其集电极就会输出一个较大的信号。

三极管的基本工作条件：发射结（即b与e极之间）应加上较低的正向电压（即正向偏置电压），集电结（即b与c极之间）应加有较高的反向电压（即反向偏置电压）。如图1-30所示。其中：图1-30（a）所示是NPN型管正常工作时应加的电压，图1-30（b）所示是PNP型管正常工作时应加的电压。由此可看出，这两类管子其外部电路所接电源极性正好相反。加在发射极与基极之间的电压叫偏置电压，一般硅管在0.6～0.8 V，锗管在0.1～0.3 V，加在集电极与基极之间的电压视三极管的具体型号而定。

在图1-30所示电路中，VT1为三极管，Ec为集电极电源；Eb为基极电源，又称为偏置电源；Rb为基极电阻器，也称为偏置电阻器；Rc为集电极电阻器，也称为负载电阻器。

三极管具有放大作用的内部条件是基区宽度小于非平衡少数载流子的扩散长度（即由发射区进入基区的非平衡少数载流子在其存在期间所走过的距离）。这样，注入基区的非平衡少数载流子才能大部分进入集电区，形成集电极电流；而只有一小部分与基区的多数载流子复合，形成基极电流，从而较小的基极电流变化就能引起较大的集电极电流变化，这就是三极管的放大作用。

5. 三极管在电路中的三种基本连接方式

电路中的三极管，其输入端应有两个外接端点与管外电路相连，组成输入回路向管子输入电流；其输出端也应用两个外接端点与管外电路相联，组成输出回路向管外输出电流。由于三极管只有三个电极，所以必须有一个电极用来作为输入回路和输出回路的共用端点，该端点通常称为“共同端”或“公共端”。故三极管在电路中根据公共端的不同可分为共基极、共发射极和共集电极三种基本连接方式，如图1-31所示。

（1） 共基极连接方式

共基极连接方式是以发射极为输入端，集电极为输出端，基极为输入、输出回路的共同端，如图1-31（a）所示。

（2） 共发射极连接方式

共发射极连接方式是以基极为输入端，集电极为输出端，发射极为输入、输出回路的共同端，如图1-31（b）所示。

（3） 共集电极连接方式

共集电极连接方式是以基极为输入端，发射极为输出端，集电极为输入、输出回路的共同端，如图1-31（c）所示。

图1-31所示电路中，“┸”符号为共同端，又称接地线端。

6. 三极管的输入特性

晶体三极管的工作特性可以用伏安特性曲线来表示，通常用共发射极电路的发射结的伏安特性曲线和集电结的伏安特性曲线来分别描述三极管的输入特性和输出特性。

晶体三极管的输入、输出特性曲线如图1-32所示。

输入特性是加在发射结的输入电压Ube与基极输入电流Ib的关系曲线，当集电结电压Uce增大时，特性曲线右移。输入特性曲线如图1-32（a）所示。

7. 三极管的输出特性

输出特性是以输入电流Ib为参量的输出电压Uce与输出电流Ic的关系曲线，为一曲线簇，输出特性曲线如图1-32（b）所示。输出特性分为三个工作区。

（1） 放大区

输出特性曲线的区域Ⅱ为放大区。在放大区中

Ic=β·Ib

放大区也称为线性区（注：β为静态电流放大系数），因为 Ic和 Ib成正比关系。晶体管工作于放大状态时，其发射结处于正向偏置，集电极处于反向偏置。

（2） 截止区

Ib=0的曲线以下的区域I称为截止区。在截止区时，由于Ib=0，故Ic=Iceo（集电极与发射极间穿透电流）。

对于NPN型硅三极管而言，当Ube（基极与发射极间电压）＜0.5 V时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使Ube≤0 V。截止时，集电结处于反向偏置状态。

（3） 饱和区

整个曲线左面的区域Ⅲ即为饱和区。当Uce（集电极与发射间电压）＜Ube时，集电结处于正向偏置，三极管工作于饱和状态。

在饱和区，Ib的变化对Ic的影响较小，两者不成正比，放大区的β不能适用于饱和区。饱和时，发射结也处于正向偏置状态。此时 Uce（发射极与集电极之间的电压）很小，集电极电流Ic不随基极电流Ib变化而变化，没有电流放大能力，集电极c与发射极e之间相当于短路。故若将三极管当做电子开关使用，它便正常工作在饱和区和截止区，前者相当于开关接通，后者相当于开关断开。

8. 三极管三种工作状态的特点

晶体三极管的工作状态可分为截止状态、放大状态和饱和状态。这三种工作状态可从其输出特性曲线明显看出，如图1-32（b）所示的截止区为I、放大区为Ⅱ、饱和区为Ⅲ。其中放大状态起着放大作用，截止和饱和状态起着开关作用。晶体三极管的三种工作状态及其数量关系见表1-6所列。在该表中，按PNP型和NPN型晶体三极管两种情况来分析，PNP和NPN管在三种工作状态下的相关电路如图1-33所示。

9. 晶体三极管的的电流放大原理

晶体三极管在电子电路中主要起电流放大作用，其电流放大原理图如图1-34所示。以PNP型晶体管为例，发射极在正向电压作用下，电流Ie绝大部分通过基区（N型半导体）流向集电极，形成集电极电流 Ic，只有很小一部分电流从基极流出形成基极电流 Ib。基极电流Ib与集电极电流Ic有一定的比例关系，即一个很小的基极电流Ib对应于一个较大的集电极电流Ic，基极电流Ib的微小变化就会引起集电极电流Ic的较大变化。这就是晶体三级管的电流放大作用。

NPN型晶体三极管的电流放大原理同PNP型晶体三极管，只是电压极性和电流方向不同。

10. 晶体三极管的电子开关原理

晶体三极管在电子电路中还可起开关作用，晶体三极管组成的电子开关电路如图1-35所示，其控制信号一般为正脉冲波。

当脉冲出现时，输入端处于高电平UH，使基极有很大的注入电流，它引起很大的集电极电流，电源电压Ec的大部分都降在负载电阻器RL上，晶体管集电极和发射极间的电压降 Uce变得很小。此时晶体管的集电极和发射极之间如同接通了的开关，此状态称为导通或开态。

反之，当输入端控制电压处于低电平时，则基极没有电流注入，集电极电流很小，此时负载电阻器RL上的电压降很小，电源电压Ec几乎全部降在晶体管上，集电极与发射极之间如同断开了的开关，此状态称为截止或关态。