三极管原理

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1. 基本结构和类型

半导体三极管的结构示意图如图1所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。包含三层半导体：基区(相连电极称为基极，用B或b表示); 发射区(相连电极称为发射极，用E或e表示);集电区(相连电极称为集电极，用C或c表示)。 E-B间的PN结称为发射结， C-B间的PN结称为集电结。

图1 两类三极管示意图及图形符号

2. 电流分配与放大

半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系， 见图2

图2三极管的电流传输关系

发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是 IBN。 另外，因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式：

IE= IEN+ IEP 且有IEN>>IEP

IEN=ICN+ IBN 且有IEN>> IBN ， ICN>>IBN

IC=ICN+ ICBO

IB=IEP+ IBN-ICBO

IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP-ICBO)=IC+IB

3. 晶体管的特性曲线及主要参数

以共射NPN型晶体管放大电路为例。

输入特性曲线—— IB=f(UBE)|UCE常数

输出特性曲线—— IC=f(UCE)|IB=常数

(1)输入特性曲线

共发射极接法的输入特性曲线见图3。输入特性曲线的分区：死区、非线性区、线性区。

图3共发射极接法输入特性曲

(2)输出特性曲线

输出特性曲线分为三个区域：

饱和区–IC受UCE显著控制的区域，该区域内UCE的数值较小，一般UCE<0.7 V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。

截止区–IC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。

放大区–IC平行于UCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管)。

图4共发射极接法输出特性曲线

(3)主要参数

半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。

① 共发射极电流放大系数和β共发射极直流电流放大系数

共发射极交流电流放大系数 β

② 极间反向饱和电流ICBO和ICEO

ICEO和ICBO有如下关系

③ 极限参数

● 集电极最大允许电流ICM

当集电极电流超过一定值时，β就要下降，当β值下降到线性放大区β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。当IC>ICM时，并不表示三极管会损坏。

● 集电极最大允许功率损耗PCM

集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICUCB≈ICUCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用UCE取代UCB。

● 反向击穿电压U(BR)CEO

反向击穿电压U(BR)CEO,U(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

④ 温度对晶体管参数的影响

温度T↑→β↑、ICBO↑，|UBE|↓→IC ↑

半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管， 二是场效应半导体三极管

双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是一种CCCS器件。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。

二、双极型半导体三极管

1 双极型半导体三极管的结构

双极型半导体三极管的结构示意图如图4所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示(Base);

一侧称为发射区，相连电极称为发射极，用E或e表示(Emitter);

另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示(Collector)。

E-B间的PN结称为发射结(Je)，

C-B间的PN结称为集电结(Jc)。

图4两种极性的双极型三极管

双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。

2 双极型半导体三极管的电流分配与控制

双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系， 见图5.

图5 双极型三极管的电流传输关系

发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。

进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是 IBN。

另外，因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式：

IE= IEN+ IEP 且有IEN>>IEP

IEN=ICN+ IBN 且有IEN>> IBN ， ICN>>IBN

IC=ICN+ ICBO

IB=IEP+ IBN-ICBO

IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP-ICBO)=IC+IB

以上关系在图02.02的动画中都给予了演示。由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。

3 双极型半导体三极管的电流关系

(1) 三种组态

双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图6。

共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示;

共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;

共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。

图6三极管的三种组态

(2) 三极管的电流放大系数

对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:

称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1, 但接近1。由此可得：

称为共发射极接法直流电流放大系数。于是

4 双极型半导体三极管的特性曲线

本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即

这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。

iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。

iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。

共发射极接法的供电电路和电-压电流关系如图7所示。

图7 共发射极接法的电压-电流关系

(1)输入特性曲线

简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。vCE的影响，可以用三极管的内部的反馈作用解释，即vCE对iB的影响。

共发射极接法的输入特性曲线见图8。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE≥1V时， vCB= vCE – vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。

图8共发射极接法输入特性曲线

输入特性曲线的分区：死区、非线性区、线性区。

(2)输出特性曲线

共发射极接法的输出特性曲线如图9所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明,当vCE=0 V时,因集电极无收集作用,iC=0。当vCE微微增大时，发射结虽处于正向电压之下,但集电结反偏电压很小,如vCE< 1 V;vBE=0.7 V; vCB= vCE- vBE≤0.7 V 。集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如vCE ≥1 V， vBE ≥0.7 V，运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的) 。

输出特性曲线可以分为三个区域

饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE<0.7 V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。

截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。

放大区——iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管)

图9 共发射极接法输出特性曲线(动画2-2)

5 半导体三极管的参数

半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。

(1) 直流参数

① 直流电流放大系数

1.共发射极直流电流放大系数

在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线(vCE=const)来求取IC / IB ，如图02.07所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见图02.08。

2.共基极直流电流放大系数

显然 与 之间有如下关系

② 极间反向电流

1.集电极-基极间反向饱和电流ICBO

ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。

2.集电极-发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO和ICBO有如下关系

ICEO=(1+)ICBO

相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值，如图02.09所示。

图02.09 ICEO在输出特性曲线上的位置

(2) 交流参数

① 交流电流放大系数

1.共发射极交流电流放大系数?

在放大区， B值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线求取△IC/△IB。或在图02.08上通过求某一点的斜率得到?。具体方法如图02.10所示。

2.共基极交流电流放大系数α

当ICBO和ICEO很小时，可以不加区分。

② 特征频率fT

三极管的?值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的?将会下降。当?下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。

(3) 极限参数

① 集电极最大允许电流ICM

如图02.08所示，当集电极电流增加时，? 就要下降，当?值下降到线性放大区?值的70～30%时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于?值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当IC>ICM时，并不表示三极管会损坏。

② 集电极最大允许功率损耗PCM

集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICVCB≈ICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。

③ 反向击穿电压

反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图02.11所示。

图02.11 三极管击穿电压的测试电路

1. V(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，C、B代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。

2. V(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。

3. V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系：

V(BR)CBO≈V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO>V(BR)EBO

由最大集电极功率损耗PCM、ICM和击穿电压V(BR)CEO，在输出特性曲线上还可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图02.12。

图02.12 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区

2.1.6 半导体三极管的型号

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