1.3 晶体三极管

晶体三极管中有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电，故称之为双极型晶体管（BJT，Bipolar Junction Transistor），又称半导体三极管，简称晶体管。图1.3.1所示为晶体管的几种常见外形。图(a)、(b)为小功率管，图©所示为中等功率管，图(d)所示为大功率管。

一、晶体管的结构及类型

根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成晶体管。采用平面工艺制成的NPN型硅材料晶体管的结构如图1.3.2(a)所示，位于中间的P区称为基区，它很薄且杂质浓度很低；位于上层的N区是发射区，掺杂浓度很高；位于下层的N区是集电区，面积很大；晶体管的外特性与三个区域的上述特性紧密相关。它们所引出的三个电极分别为基极b、发射机e和集电极c。
图(b)所示为NPN型管的结构示意图，发射区与基区间的PN结称为发射结，基区与集电区间的PN结称为集电结。图©所示为NPN型管和PNP型管的符号。

二、晶体管的电流放大作用

图1.3.3所示为基本放大电路，$\Delta u_I$为输入电压信号，接入基极-发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极-发射极回路，称为输出回路。由于发射极是两个回路的公共端，故称该电路为共射放大电路。使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。因而在输入回路需加基极电源$V_{BB}$；在输出回路需加集电极电源$V_{CC}$；$V_{BB}$和$V_{CC}$的极性应如图1.3.3所示，且$V_{CC}$应大于$V_{BB}$。晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。下面从内部载流子的运动与外部电流的关系上来做进一步的分析。

1、晶体管内部载流子的运动

当图1.3.3所示电路中$\Delta u_I=0$时，晶体管内部载流子运动示意图如图1.3.4所示。
（1）发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流$I_E$
因为发射结加正向电压，又因为发射区杂质浓度高，所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区。与此同时，空穴也从基区向发射区扩散，但由于基区掺杂浓度低，所以空穴形成的电流非常小，近似分析时可忽略不计。可见，扩散运动形成了发射极电流$I_E$。
（2）扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流$I_B$
由于基区很薄，杂质浓度很低，集电结又加了反向电压，所以扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，其余部分均作为基区的非平衡少子达到集电结。又由于电源$V_{BB}$的作用，电子与空穴的复合运动将源源不断的进行，形成基极电流$I_B$。
（3）集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流$I_C$
由于集电结加反向电压且其结面积较大，基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区，形成漂移电流。与此同时，集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动但它们的数量很小，近似分析中可忽略不计。可见，在集电极电源$V_{CC}$的作用下，漂移运动形成集电极电流$I_C$。

2、晶体管的电流分配关系

设由发射区向基区扩散所形成的的电子电流为$I_{EN}$，基区向发射区扩散所形成的的空穴电流为$I_{EP}$，基区内复合运动所形成的电流为$I_{BN}$，基区内非平衡少子（即发射区扩散到基区但未被复合的自由电子）漂移到集电区所形成的电流为$I_{CN}$，平衡少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流为$I_{CBO}$，见图1.3.4中所标注，则
$$I_E=I_{EN}+I_{EP}=I_{CN}+I_{BN}+I_{EP}(\mathrm{1.3.1})$$$$I_C=I_{CN}+I_{CBO}(\mathrm{1.3.2})$$$$I_B=I_{BN}+I_{EP}-I_{CBO}=I_B^{\prime }-I_{CBO}(\mathrm{1.3.3})$$从外部看$$I_E=I_C+I_B(\mathrm{1.3.4})$$

3、晶体管的共射电流放大系数

电流$I_{CN}$与$I_B^{\prime }$之比称为共射直流电流放大系数$\overline{\beta }$，根据式(1.3.2)和式(1.3.3)可得
$$\overline{\beta }=\frac{I_{CN}}{I_B^{\prime }}=\frac{I_C-I_{CBO}}{I_B+I_{CBO}}$$整理可得$$I_C=\overline{\beta }{I}_B+(1+\overline{\beta })I_{CBO}=\overline{\beta }{I}_B+I_{CEO}(\mathrm{1.3.5})$$式中$I_{CEO}{I}_{CEO}$称为穿透电流，其物理意义是，当基极开路（$I_B=0$）时，在集电极电源$V_{CC}$作用下的集电极与发射极之间形成的电流，而$I_{CBO}$是发射极开路时，集电结的反向饱和电流。一般情况下，$I_B>>I_{CBO}$，$\overline{\beta }>>1$，所以$$I_C\approx \overline{\beta }{I}_B(\mathrm{1.3.6})$$$$I_E\approx (1+\overline{\beta })I_B(\mathrm{1.3.7})$$在图1.3.3所示电路中，若有输入电压$\Delta u_I$作用，则晶体管的基极电流将在$I_B$基础上叠加动态电流$\Delta i_B$，当然集电极电流也将在$I_C$基础上叠加动态电流$\Delta i_C$，$\Delta i_C$与$\Delta i_B$之比称为共射交流电流放大系数，记作$\beta$，即$$\beta =\frac{\Delta i_C}{\Delta i_B}(\mathrm{1.3.8})$$集电极总电流$i_C=I_C+\Delta i_C=\overline{\beta }{I}_B+I_{CEO}+\beta \Delta i_B$，通常穿透电流可忽略不计，故$i_C=\overline{\beta }{I}_B+\beta \Delta i_B$。在$|\Delta i_B|$不太大的情况下，可以认为$$\beta \approx \overline{\beta }(\mathrm{1.3.9})$$式(1.3.9)表明，在一定范围内，可以用晶体管在某一直流量下的$\overline{\beta }$来取代在此基础上加动态信号时的$\beta$。由于在$I_E$较宽的数值范围内$\overline{\beta }$基本不变，因此在近似分析中不对$\overline{\beta }$与$\beta$加以区分，即认为$i_C\approx \beta i_B$。小功率管的$\beta$较大，有的可达三、四百倍；大功率管的$\beta$较小，有的甚至只有三、四十倍。
当以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流时，$I_{CN}$与$I_E$之比称为共基直流电流放大系数$$\overline{\alpha }=\frac{I_{CN}}{I_E}$$根据式(1.3.2)可得
$$I_C=\overline{\alpha }{I}_E+I_{CBO}(\mathrm{1.3.10})$$将式(1.3.1)、(1.3.4)代入上式，可以得出$\overline{\alpha }$与$\overline{\beta }$的关系，即$$\overline{\beta }=\frac{I_{CN}}{I_B^{\prime }}=\frac{I_{CN}}{I_E-I_{CN}}=\frac{\overline{\alpha }{I}_E}{I_E-\overline{\alpha }{I}_E}=\frac{\overline{\alpha }}{1-\overline{\alpha }}$$$$\overline{\beta }=\frac{\overline{\alpha }}{1-\overline{\alpha }}或\overline{\alpha }=\frac{\overline{\beta }}{1+\overline{\beta }}(\mathrm{1.3.11})$$共基交流电流放大系数$\alpha$定义为集电极电流变化量与发射极电流变化量之比，根据$\Delta i_E$、$\Delta i_B$和$\Delta i_C$的关系可得$$\alpha =\frac{\Delta i_C}{\Delta i_E}=\frac{\beta }{1+\beta }(\mathrm{1.3.12})$$通常$\beta >>1$，故$\alpha \approx 1$；而且与$\beta \approx \overline{\beta }$相同，$\alpha \approx \overline{\alpha }$。

三、晶体管的共射特性曲线

1、输入特性曲线

输入特性曲线描述管压降$U_{CE}$一定的情况下，基极电流$i_B$与发射结压降$u_{BE}$之间的函数关系，即$$i_B=f(u_{BE}){|}_{U_{CE}=常数}(\mathrm{1.3.3})$$当$U_{CE}=0V$时，相当于集电极与发射极短路，即发射结与集电结并联。因此，输入特性曲线与PN结的伏安特性相类似，呈指数关系，见图1.3.5中标注$U_{CE}=0V$的那条曲线。当$U_{CE}$增大时，曲线将右移，见图1.3.5中标注0.5V和$\ge 1V$的曲线。这是因为，由发射区注入基区的非平衡少子有一部分越过基区和集电结形成集电极电流$i_C$，使得在基区参与复合运动的非平衡少子随$U_{CE}$的增大（即集电结反向电压的增大）而减小；因此，要获得同样的$i_B$，就必须加大$u_{BE}$，使发射区向基区注入更多的电子。
实际上，对于确定的$U_{BE}$，当$U_{CE}$增大到一定值以后，集电结的电场已足够强，可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电区，因而再增大$U_{CE}$，$i_C$也不可能明显增大了，也就是说，$i_B$已基本不变。因此，$U_{CE}$超过一定数值后，曲线不再明显右移而基本重合。对于小功率管，可以用$U_{CE}$大于1V的任何一条曲线来近似$U_{CE}$大于1V的所有曲线。

2、输出特性曲线

输出特性曲线描述基极电流$I_B$为一常量时，集电极电流$i_C$与管压降$U_{CE}$之间的函数关系，即$$i_C=f(u_{CE}){|}_{I_B=常数}(\mathrm{1.3.14})$$对于每一个确定的$I_B$，都有一条曲线，所以输出特性时一族曲线，如图1.3.6所示。对于某一条曲线，当$u_{CE}$从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因而$i_C$也就逐渐增大。而当$u_{CE}$增大到一定数值时，集电结电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，$u_{CE}$再增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即$i_C$几乎仅仅取决于$i_B$。从输出特性曲线可以看出，晶体管有三个工作区域（见图1.3.6所标注）：
（1）截止区：其特征是发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。对于共射电路，$u_{BE}\le U_{on}{u}_{BE}\le U_{on}$且$u_{CE}>u_{BE}{u}_{CE}>u_{BE}$。此时$I_B=0$，而$i_C\le I_{CEO}$。小功率硅管的$I_{CEO}$在1$\mu A$以下，锗管的$I_{CEO}$小于几十微安。因此在近似分析中可以认为晶体管截止时的$i_C\approx 0$。
（2）放大区：其特征是发射结正向偏置（$u_{BE}$大于发射结开启电压$U_{on}$）且集电结反向偏置。对于共射电路，$u_{BE}>U_{on}{u}_{BE}>U_{on}$且$u_{CE}\ge u_{BE}{u}_{CE}\ge u_{BE}$。此时，$i_C$几乎仅仅取决于$i_B$，而与$u_{CE}$无关，表现出$i_B$对$i_C$的控制作用，$I_C=\overline{\beta }{I}_B$，$\Delta i_C=\beta \Delta i_B$。在理想情况下，当$I_B$按等差变化时，输出特性是一族横轴的等距离平行线。
（3）饱和区：其特征是发射结与集电结均处于正向偏置。对于共射电路，$u_{BE}>U_{on}{u}_{BE}>U_{on}$且$u_{CE}<u_{BE}{u}_{CE}<u_{BE}$。此时$i_C$不仅与$i_B$有关，而且明显随$u_{CE}$增大而增大，$i_C$小于$\overline{\beta }{I}_B$。在实际电路中，若晶体管的$u_{BE}$增大时，$i_B$随之增大，但$i_C$增大不多或基本不变，则说明晶体管进入饱和区。对于小功率管，可以认为当$u_{CE}=u_{BE}{u}_{CE}=u_{BE}$，即$u_{CB}=0V$时，晶体管处于临界状态，即临界饱和或临界放大状态。
在模拟电路中，绝大多数情况下应保证晶体管工作在放大状态。

四、晶体管的主要参数

1、直流参数

（1）共射直流电流放大系数$\overline{\beta }(h_{FE})$
$$\overline{\beta }=\frac{I_C-I_{CEO}}{I_B}$$当$I_C>>I_{CEO}$时，$\overline{\beta }\approx \frac{I_C}{I_B}$。
（2）共基直流电流放大系数$\overline{\alpha }$
当$I_{CBO}$可忽略时，$\overline{\alpha }\approx I_C/I_E$。
（3）极间反向电流
$I_{CBO}$是发射极开路时集电结的反向饱和电流。$I_{CEO}$是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流，$I_{CEO}=(1+\overline{\beta })I_{CBO}$。同一型号的管子反向电流愈小，性能愈稳定。
选用管子时，$I_{CBO}$与$I_{CEO}$应尽量小。硅管比锗管的极间反向电流小2~3个数量级，因此稳定性也比锗管好。

2、交流参数

交流参数是描述晶体管对于动态信号的性能指标。
（1）共射交流电流放大系数$\beta (h_{fe})$
$$\beta =\frac{\Delta i_C}{\Delta i_B}{|}_{U_{CE}=常量}$$见图1.3.6中所标注。选用管子时，$\beta$应适中，太小则放大能力不强，太大则温度稳定性差。
（2）共基交流电流放大系数$\alpha$
$$\alpha =\frac{\Delta i_C}{\Delta i_E}{|}_{U_{CB}=常量}$$近似分析中可以认为$\beta \approx \overline{\beta }$，$\alpha \approx \overline{\alpha }\approx 1$。
（3）特征频率$f_T$
由于晶体管中PN结结电容的存在，晶体管的交流电流放大系数是所加信号频率的函数。信号频率高到一定程度时，集电极电流与基极电流之比不但数值下降，且产生相移。使共射电流放大系数的数值下降到1的信号频率称为特征频率$f_T$。

3、极限参数

（1）最大集电极耗散功率$P_{CM}$$P_{CM}$决定于晶体管的温升。当硅管的温度大于150℃、锗管的温度大于70℃时，管子特性明显变坏，甚至烧坏。对于确定型号的晶体管，$P_{CM}$是一个确定值，即$P_{CM}=i_C{u}_{CE}=常数$，在输出特性坐标平面中为双曲线中的一条，如图1.3.7所示。曲线右上方为过损耗区。
对于大功率管的$P_{CM}$，应特别注意测试条件，如对散热片的规格要求。当散热条件不满足要求时，允许的最大功率将小于$P_{CM}$。
（2）最大集电极电流$I_{CM}$
$i_C$在相当大的范围内$\beta$值基本不变，但当$i_C$的数值达到一定程度时$\beta$值将减小。使$\beta$值明显减小的$i_C$即为$I_{CM}$。对于合金型小功率管，定义当$u_{CE}=1V$时，由$P_{CM}=i_C{u}_{CE}$得出的$i_C$即为$I_{CM}$。
（3）极间反向击穿电压
晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压称为极间反向击穿电压，超过此值时管子会发生击穿现象。下面是各种击穿电压的定义：
$U_{(BR)CBO}$是发射极开路时集电极-基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。
$U_{(BR)CEO}$是基极开路时集电极-发射极的反向击穿电压，此时集电结承受反向电压。
$U_{(BR)EBO}$是集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压，这是发射结所允许加的最高反向电压。
对于不同型号的管子，$U_{(BR)CBO}$为几十伏到上千伏，$U_{(BR)CEO}$小于$U_{(BR)CBO}$，而$U_{(BR)EBO}$只有1伏以下到几伏。此外，集电极-发射极间的击穿电压还有：b-e间接电阻时的$U_{(BR)CER}$，短路时的$U_{(BR)CES}$，接反向电压时的$U_{(BR)CEX}$等。
在组成晶体管电路时，应根据需求选择管子的型号。例如用于组成音频放大电路，则应选低频管；用于组成宽频放大电路，则应选高频管或超高频管；用于组成数字电路，则应选开关管；若管子的温升较高或反向电流较小，则应选用硅管；若要求b-e间导通电压低，则应选用锗管。而且，为防止晶体管在使用中损坏，必须使之工作在图1.3.7所示的安全区，同时b-e间的反向电压要小于$U_{(BR)EBO}$；对于功率管，还必须满足散热条件。

五、温度对晶体管特性及参数的影响

1、温度对$I_{CBO}$的影响

因为$I_{CBO}$是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，所以，当温度升高时，热运动加剧，有更多的价电子获得足够的能量挣脱共价键的束缚，从而使少子浓度明显增大。因而参与漂移运动的少子数目增多，从外部看就是$I_{CBO}$增大。可以证明，当温度每升高10℃，$I_{CBO}$增大约一倍。反之，当温度降低时$I_{CBO}$减小。
由于$I_{CEO}=(1+\beta )I_{CBO}$，所以温度变化时，$I_{CEO}$也会产生相应的变化。
由于硅管的$I_{CBO}$比锗管的小得多，所以从绝对数值上看，硅管比锗管受温度的影响要小得多。

2、温度对输入特性的影响

与二极管的伏安特性类似，当温度升高时，正向特性将左移，如图1.3.8所示，反之将右移。$|u_{BE}|$具有负温度系数，当温度变化1℃时，若$i_B$不变，则$|u_{BE}|$大约变化2 ~ 2.5mV，即温度每升高1℃，大约下降2 ~ 2.5mV。换言之，若$u_{BE}$不变，则当温度升高时$i_B$将增大，反之$i_B$减小。

3、温度对输出特性的影响

图1.3.9所示为某晶体管在温度变化时输出特性变化的示意图，实线所示为20℃时的特性曲线，虚线所示为60℃时的特性曲线，且$I_{B1}$、$I_{B2}$、$I_{B3}$分别等于$I_{B1}^{\prime }$、$I_{B2}^{\prime }$、$I_{B3}^{\prime }$。当温度从20℃升高至60℃时，不但集电极电流增大，且其变化量$\Delta i_C^{\prime }>\Delta i_C$，说明温度升高时$\beta$增大。可见，温度升高时，由于$I_{CEO}$、$\beta$增大，且输入特性左移，所以导致集电极电流增大。
【例1.3.1】 现已测得某电路中几只NPN型晶体管三个极的直流电位如图1.3.1所示，各晶体管b-e间开启电压$U_{on}$均为0.5V。试分别说明各管子的工作状态。
解：在电子电路中，可以通过测试晶体管各极的直流电位来判断晶体管的工作状态。对于NPN型管，当b-e间电压$u_{BE}<U_{on}$时，管子截至；当$u_{BE}>U_{on}$且管压降$u_{CE}\ge u_{BE}$（或$u_C\ge u_B$）时，管子处于放大状态；当$u_{BE}>U_{on}$且管压降$u_{CE}<u_{BE}$（或$u_C<u_B$）时，管子处于饱和状态。硅管的$U_{on}$约为0.5V，锗管的$U_{on}$约为0.1V。对于PNP型管，$U_{on}<0$，当b-e间的电压$u_{BE}>U_{on}$时，即$u_B>u_E$，管子截止；当$u_{BE}<U_{on}$且管压降$u_{CE}\le u_{BE}$（此时$u_{CE}$与$u_{BE}$均小于0），即$u_C\le u_B$，管子处于放大状态；当$u_{BE}<U_{on}$且管压降$u_{CE}>u_{BE}$，即$u_C>u_B$时，管子处于饱和状态。
不管是NPN型二极管还是PNP型二极管，都可以通过发射结和集电结的偏置判断其工作状态：截止区：发射结反偏或零偏；放大区：发射结正偏且集电结反偏；饱和区：发射结和集电结均正偏。
根据以上规律可知，$T_1$处于放大状态，因为$U_{BE}=0.7V$且$U_{CE}=5V$，$U_{CE}>U_{BE}$。$T_2$处于饱和状态，因为$U_{BE}=0.7V$，且$U_{CE}=U_C-U_E=0.4V$，$U_{CE}<U_{BE}$。$T_3$处于放大状态，因为$U_{BE}=U_B-U_E=0.7V$，且$U_{CE}=U_C-U_E=1.7V$，$U_{CE}>U_{BE}$。$T_4$处于截止状态，因为$U_{BE}=0V<U_{on}$。具体结果如下表1.3.2。【1.3.2】 在一个单管放大电路中，电源电压为30V，已知三只管子的参数如表1.3.3所示，请选用一只管子，并简述理由。解：$T_1$管虽然$I_{CBO}$很小，即温度稳定性好，但$\beta$很小，放大能力差，故不宜选用。$T_3$管虽然$I_{CBO}$较小且$\beta$较大，但因$U_{CEO}$仅为20V，小于工作电源电压30V，在工作过程中有可能被击穿，故不能选用。$T_2$管的$I_{CBO}$较小，$\beta$较大，且$U_{CEO}$大于电源电压，所以$T_2$最合适。

六、光电三极管

光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连，并仅引出集电极与发射极，如图1.3.10(a)所示。其符号如图(b)所示，常见外形如图($c$)所示。光电三极管与普通三极管的输出特性曲线相类似，只是将参变量基极电流$I_B$用入射光强E取代，如图1.3.11所示。无光照时的集电极电流称为暗电流$I_{CEO}$，它比光电二极管的暗电流约大两倍，而且受温度的影响很大，温度每上升25℃，$I_{CEO}$上升约10倍。有光照时的采集电流称为光电流。当管压降$u_{CE}$足够大时，$i_C$几乎仅仅决定于入射强度E。对于不同型号的光电三极管，当入射光强E为1000lx时，光电流从小于1mA到几毫安不等。

使用光电三极管时，也应特别注意其反向击穿电压、最高工作电压，最大集电极功耗等极限参数。