原创 半导体三极管及其应用 基础

第五章  半导体三极管及其应用

5．1半导体三极管的基本结构

5．1．1 三极管内部结构

<?XML:NAMESPACE PREFIX = V /><?XML:NAMESPACE PREFIX = O /><?XML:NAMESPACE PREFIX = W />半导体二极管内部只有一个PN结，若在半导体二极管P型半导体的旁边，再加上一块N型半导体如图5-1（a）所示。由图5-1（a）可见，这种结构的器件内部有两个PN结，且N型半导体和P型半导体交错排列形成三个区，分别称为发射区，基区和集电区。从三个区引出的引脚分别称为发射极，基极和集电极，用符号e、b、c来表示。处在发射区和基区交界处的PN结称为发射结；处在基区和集电区交界处的PN结称为集电结。具有这种结构特性的器件称为三极管。

三极管通常也称双极型晶体管（BJT），简称晶体管或三极管。三极管在电路中常用字母T来表示。因三极管内部的两个PN结相互影响，使三极管呈现出单个PN结所没有的电流放大的功能，开拓了PN结应用的新领域，促进了电子技术的发展。

因图5-1（a）所示三极管的三个区分别由NPN型半导体材料组成，所以，这种结构的三极管称为NPN型三极管，图5-1（b）是NPN型三极管的符号，符号中箭头的指向表示发射结处在正向偏置时电流的流向。

根据同样的原理，也可以组成PNP型三极管，图5-2（a）、（b）分别为PNP型三极管的内部结构和符号。

由图5-1和图5-2可见，两种类型三极管符号的差别仅在发射结箭头的方向上，理解箭头的指向是代表发射结处在正向偏置时电流的流向，有利于记忆NPN和PNP型三极管的符号，同时还可根据箭头的方向来判别三极管的类型。

例如，当大家看到“”符号时，因为该符号的箭头是由基极指向发射极的，说明当发射结处在正向偏置时，电流是由基极流向发射极。根据前面所讨论的内容已知，当PN结处在正向偏置时，电流是由P型半导体流向N型半导体，由此可得，该三极管的基区是P型半导体，其它的两个区都是N型半导体，所以该三极管为NPN型三极管。

晶体管除了PNP和NPN两种类别的区分外，还有很多种类。根据三极管工作频率的不同，可将三极管分为低频管和高频管；根据三极管消耗功率的不同，可将三极管分为小功率管、中功率管和大功率管等。常见三极管的外形如图5-3所示。

5．1．2 三极管的电流放大作用

1、三极管内部PN结的结构

对模拟信号进行处理最基本的形式是放大。在生产实践和科学实验中，从传感器获得的模拟信号通常都很微弱，只有经过放大后才能进一步处理，或者使之具有足够的能量来驱动执行机构，完成特定的工作。放大电路的核心器件是三极管，三极管的电流放大作用与三极管内部PN的特殊结构有关。

从图5-1和5-2可见，三极管犹如两个反向串联的PN结，如果孤立地看待这两个反向串联的PN结，或将两个普通二极管串联起来组成三极管，是不可能具有电流的放大作用。具有电流放大作用的三极管，PN结内部结构的特殊性是：

（1）为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂溶度远高于基区半导体的掺杂溶度，且发射结的面积较小。

（2）发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂溶度要高于集电区的掺杂溶度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电子。

（3）联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂溶度也很低。

上述的结构特点是三极管具有电流放大作用的内因。要使三极管具有电流的放大作用，除了三极管的内因外，还要有外部条件。三极管的发射极为正向偏置，集电结为反向偏置是三极管具有电流放大作用的外部条件。

放大器是一个有输入和输出端口的四端网络，要将三极管的三个引脚接成四端网络的电路，必须将三极管的一个脚当公共脚。取发射极当公共脚的放大器称为共发射极放大器，基本共发射极放大器的电路如图5-4所示。

图5-4中的基极和发射极为输入端，集电极和发射极为输出端，发射极是该电路输入和输出的公共端，所以，该电路称为共发射极电路。

图5-4中的u_i是要放大的输入信号，u_o是放大以后的输出信号，V_BB是基极电源，该电源的作用是使三极管的发射结处在正向偏置的状态，V_CC是集电极电源，该电源的作用是使三极管的集电结处在反向偏置的状态，R_C是集电极电阻。

2、共发射极电路三极管内部载流子的运动情况

共发射极电路三极管内部载流子运动情况的示意图如图5-5所示。图5-5中载流子的运动规律可分为以下的几个过程。

（1）发射区向基区发射电子的过程

发射结处在正向偏置，使发射区的多数载流子（自由电子）不断的通过发射结扩散到基区，即向基区发射电子。与此同时，基区的空穴也会扩散到发射区，由于两者掺杂溶度上的悬殊，形成发射极电流I_E的载流子主要是电子，电流的方向与电子流的方向相反。发射区所发射的电子由电源E_C的负极来补充。

（2）电子在基区中的扩散与复合的过程

扩散到基区的电子，将有一小部分与基区的空穴复合，同时基极电源E_B不断的向基区提供空穴，形成基极电流I_B。由于基区掺杂的溶度很低，且很薄，在基区与空穴复合的电子很少，所以，基极电流I_B也很小。扩散到基区的电子除了被基区复合掉的一小部分外，大量的电子将在惯性的作用下继续向集电结扩散。

（3）集电结收集电子的过程

反向偏置的集电结在阻碍集电区向基区扩散电子的同时，空间电荷区将向基区延伸，因集电结的面积很大，延伸进基区的空间电荷区使基区的厚度进一步变薄，使发射极扩散来的电子更容易在惯性的作用下进入空间电荷区。集电结的空间电荷区，可将发射区扩散进空间电荷区的电子迅速推向集电极，相当于被集电极收集。集电极收集到的电子由集电极电源E_c吸收，形成集电极电流I_C。

3、三极管的电流分配关系和电流放大系数

根据上面的分析和节点电流定律可得，三极管三个电极的电流I_E、I_B、I_C之间的关系为：

I_E=I_B+I_C          （5-1）

三极管的特殊结构使I_C大大于I_B，令

         （5-2）

称为三极管的直流电流放大倍数。它是描述三极管基极电流对集电极电流控制能力大小的物理量， 大的管子，基极电流对集电极电流控制的能力就大。 是由晶体管的结构来决定的，一个管子做成以后，该管子的 就确定了。

5．1．3 三极管的共射特性曲线

三极管的特性曲线是描述三极管各个电极之间电压与电流关系的曲线，它们是三极管内部载流子运动规律在管子外部的表现。三极管的特性曲线反映了管子的技术性能，是分析放大电路技术指标的重要依据。三极管特性曲线可在晶体管图示仪上直观地显示出来，也可从手册上查到某一型号三极管的典型曲线。

三极管共发射极放大电路的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线，下面以NPN型三极管为例，来讨论三极管共射电路的特性曲线。

1、输入特性曲线

输入特性曲线是描述三极管在管压降U_CE保持不变的前提下，基极电流i_B和发射结压降u_BE之间的函数关系，即

        （5-3）

三极管的输入特性曲线如图5-6所示。由图5-6可见NPN型三极管共射极输入持性曲线的特点是：

（1）在输入特性曲线上也有一个开启电压，在开启电压内，u_BE虽己大于零，但i_B几乎仍为零，只有当u_BE的值大于开启电压后，i_B的值与二极管一样随u_BE的增加按指数规律增大。硅晶体管的开启电压约为0.5V，发射结导通电压V_on约为0.6～0.7V；锗晶体管的开启电压约为0.2V，发射结导通电压约为0.2～0.3V。

（2）三条曲线分别为U_CE=0V，U_CE=0.5V和U_CE=1V的情况。当U_CE=0V时，相当于集电极和发射极短路，即集电结和发射结并联，输入特性曲线和PN结的正向特性曲线相类似。当U_CE=1V，集电结已处在反向偏置，管子工作在放大区，集电极收集基区扩散过来的电子，使在相同u_BE值的情况下，流向基极的电流i_B减小，输入特性随着U_CE的增大而右移。当U_CE>1V以后，输入特性几乎与U_CE=1V时的特性曲线重合，这是因为Vcc＞lV后，集电极已将发射区发射过来的电子几乎全部收集走，对基区电子与空穴的复合影响不大，i_B的改变也不明显。

因晶体管工作在放大状态时，集电结要反偏，U_CE必须大于l伏，所以，只要给出U_CE=1V时的输入特性就可以了。

2、输出特性曲线

输出特性曲线是描述三极管在输入电流i_B保持不变的前提下，集电极电流i_C和管压降u_CE之间的函数关系，即

        （5-4）

三极管的输出特性曲线如图5-7所示。由图5-7可见，当I_B改变时，i_C和u_CE的关系是一组平行的曲线族，并有截止、放大、饱和三个工作区。

（1）截止区

I_B=0持性曲线以下的区域称为截止区。此时晶体管的集电结处于反偏，发射结电压u_BE＜0，也是处于反偏的状态。由于i_B＝0，在反向饱和电流可忽略的前提下，i_C=βi_B也等于0，晶体管无电流的放大作用。处在截止状态下的三极管，发射极和集电结都是反偏，在电路中犹如一个断开的开关。

实际的情况是：处在截止状态下的三极管集电极有很小的电流I_CE0，该电流称为三极管的穿透电流，它是在基极开路时测得的集电极-发射极间的电流，不受i_B的控制，但受温度的影响。

（2）饱和区

在图5-4的三极管放大电路中，集电极接有电阻R_C，如果电源电压V_CC一定，当集电极电流i_C增大时，u_CE=V_CC-i_CR_C将下降，对于硅管，当u_CE降低到小于0.7V时，集电结也进入正向偏置的状态，集电极吸引电子的能力将下降，此时i_B再增大，i_C几乎就不再增大了，三极管失去了电流放大作用，处于这种状态下工作的三极管称为饱和。

规定U_CE＝U_BE时的状态为临界饱和态，图5-7中的虚线为临界饱和线，在临界饱和态下工作的三极管集电极电流和基极电流的关系为：

         （5-1-4）

式中的I_CS，I_BS，U_CES分别为三极管处在临界饱和态下的集电极电流、基极电流和管子两端的电压（饱和管压降）。当管子两端的电压U_CE＜U_CES时，三极管将进入深度饱和的状态，在深度饱和的状态下，i_C=βi_B的关系不成立，三极管的发射结和集电结都处于正向偏置会导电的状态下，在电路中犹如一个闭合的开关。

三极管截止和饱和的状态与开关断、通的特性很相似，数字电路中的各种开关电路就是利用三极管的这种特性来制作的。

（3）放大区

三极管输出特性曲线饱和区和截止区之间的部分就是放大区。工作在放大区的三极管才具有电流的放大作用。此时三极管的发射结处在正偏，集电结处在反偏。由放大区的特性曲线可见，特性曲线非常平坦，当i_B等量变化时，i_C几乎也按一定比例等距离平行变化。由于i_C只受i_B控制，几乎与u_CE的大小无关，说明处在放大状态下的三极管相当于一个输出电流受I_B控制的受控电流源。

上述讨论的是NPN型三极管的特性曲线，PNP型三极管特性曲线是一组与NPN型三极管特性曲线关于原点对称的图像。

5．1．5 三极管的主要参数

三极管的主要参数有：

1、共射电流放大系数 和β

在共射极放大电路中，若交流输入信号为零，则管子各极间的电压和电流都是直流量，此时的集电极电流I_C和基极电流I_B的比就是 ， 称为共射直流电流放大系数。

 当共射极放大电路有交流信号输入时，因交流信号的作用，必然会引起I_B的变化，相应的也会引起I_C的变化，两电流变化量的比称为共射交流电流放大系数β，即

           （5-6）

上述两个电流放大系数 和β的含义虽然不同，但工作在输出特性曲线放大区平坦部分的三极管，两者的差异极小，可做近似相等处理，故在今后应用时，通常不加区分，直接互相替代使用。

由于制造工艺的分散性，同一型号三极管的β值差异较大。常用的小功率三极管，β值一般为20～100。β过小，管子的电流放大作用小，β过大，管子工作的稳定性差，一般选用β在40～80之间的管子较为合适。

2、极间反向饱和电流I_CBO和I_CEO

    （1）集电结反向饱和电流I_CBO是指发射极开路，集电结加反向电压时测得的集电极电流。常温下，硅管的I_CBO在nA（10^-9）的量级，通常可忽略。

（2）集电极-发射极反向电流I_CEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向电流，即穿透电流，穿透电流的大小受温度的影响较大，穿透电流小的管子热稳定性好。

3、极限参数

（1）集电极最大允许电流I_CM

晶体管的集电极电流I_C在相当大的范围内β值基本保持不变，但当I_C的数值大到一定程度时，电流放大系数β值将下降。使β明显减少的I_C即为I_CM。为了使三极管在放大电路中能正常工作，I_C不应超过I_CM。

（2）集电极最大允许功耗P_CM

晶体管工作时、集电极电流在集电结上将产生热量，产生热量所消耗的功率就是集电极的功耗P_CM，即

P_CM=I_CU_CE                 （5-7）

功耗与三极管的结温有关，结温又与环境温度、管子是否有散热器等条件相关。根据5-7式可在输出特性曲线上作出三极管的允许功耗线，如图5-8所示。功耗线的左下方为安全工作区，右上方为过损耗区。

手册上给出的P_CM值是在常温下25℃时测得的。硅管集电结的上限温度为150℃左右，锗管为70℃左右，使用时应注意不要超过此值，否则管子将损坏。

（3）反向击穿电压U_BR（CEO）

反向击穿电压U_BR（CEO）是指基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压。使用中如果管子两端的电压U_CE＞U_BR（CEO），集电极电流I_C将急剧增大，这种现象称为击穿。管子击穿将造成三极管永久性的损坏。三极管电路在电源E_C的值选得过大时，有可能会出现，当管子截止时，U_CE＞U_BR（CEO）导致三极管击穿而损坏的现象。一般情况下，三极管电路的电源电压E_C应小于1/2 U_BR（CEO）。

4、温度对三极管参数的影响

几乎所有的三极管参数都与温度有关，因此不容忽视。温度对下列的三个参数影响最大。

（1）对β的影响：

三极管的β随温度的升高将增大，温度每上升l℃，β值约增大0.5～1％，其结果是在相同的I_B情况下，集电极电流I_C随温度上升而增大。

（2）对反向饱和电流I_CEO的影响：

I_CEO是由少数载流子漂移运动形成的，它与环境温度关系很大，I_CEO随温度上升会急剧增加。温度上升10℃，I_CEO将增加一倍。由于硅管的I_CEO很小，所以，温度对硅管I_CEO的影响不大。

（3）对发射结电压u_be的影响：

和二极管的正向特性一样，温度上升1℃，u_be将下降2～2.5mV。

综上所述，随着温度的上升，β值将增大，i_C也将增大，u_CE将下降，这对三极管放大作用不利，使用中应采取相应的措施克服温度的影响。