【IC干货】基础电子元器件之——晶体三极管

晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。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，厚度约在几个微米至几十个微米。如图1从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。

发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电结。PNP型三极管发射区“发射”的是空穴，移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区“发射”的是自由电子，移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管均有PNP型和NPN型两种类型（图2）。

最初的三极管是由锗（半导体）做成的。但是，锗具有在80℃左右时发生损坏的缺点，因此现在的三极管几乎都使用硅，硅可以耐受180℃左右的高温。

图1 NPN型晶体三极管结构示意图

图2 晶体三极管有PNP型和NPN型两种类型

1

  三极管产品类别

晶体管的分类方法有多种。按形状划分，功率及安装形态决定了晶体管的外形大小和形状，可分为引脚型和表面安装型；按功率分类，主要以最大额定值的集电极功率Pc进行区分，分为小信号晶体管和功率晶体管，一般功率晶体管的功率超过1W；根据工作原理不同晶体管又分为双极晶体管和单极晶体管（如图3）。双极晶体管的“双”是指Bi（2个）、“极”是指Polar（极性）。双极晶体管即流经构成晶体管的半导体的电流由空穴（正极性）和电子（负极性）产生。一般而言的晶体管是指这种由硅构成的晶体管。

图3 按工作原理划分晶体管

FET（Field Effect Transistor）指场效应晶体管，又包括接合型FET、MOS型FET以及GaAs型三种。接合型FET多用于音频设备等的模拟电路中，MOS型FET主要用于微控制器等数字IC，GaAs型用于卫星广播信号接收等的微波增幅。

MOS（Metal Oxide SemicONductor）因其构造分别是金属（Metal）、硅酸化膜（Oxide）、半导体（SemicONductor），故称MOS。MOS还分为P型、N型、C型，因为消费电流小，用于微控制器等集成度高的IC。

2

  三极管的封装形式和管脚识别

常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类，引脚的排列方式具有一定的规律，如图4对于小功率金属封装三极管（如TO18、TO39封装），按图示底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左向右依次为e b c；对于中小功率塑料三极管（如TO92封装），按图使其平面朝向自己，三个引脚从左到右依次为e c b、e b c和c b e三种封装。功率三极管的封装形式如图中TO220、TO3所示，其中TO3的金属外壳为三极管的C极。

目前，三极管的种类众多，管脚的排列也不尽相同，在使用中无法确定管脚的排列时，必须进行测量以确定各管脚的位置，或查找晶体管使用手册。

图4 三极管封装形式及引脚排列

3

  三极管的工作原理

晶体三极管有三种工作状态，分别为截止状态、放大状态和饱和导通状态。

截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，这时三极管失去电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，此时的三极管处于截止状态。

放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起控制作用，使得三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β＝ΔIc/ΔIb，三极管处于放大状态。

晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量，这是三极管最基本也是最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。下面通过图5的A和B对晶体管的增幅原理作进一步详尽的说明。

与输入电压e和偏压E1构成的基极-发射极间电压（VBE）成比例的电流（IB）的hFE（晶体管的直流电流增幅率）倍的电流（IC）流经集电极，这一集电极电流IC流经电阻RL，从而IC×RL的电压反映在电阻RL两端。最终，输入电压e被转换（增幅）成ICRL电压反映在输出上。

图5 三极管放大原理说明

饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不再变化，这时的三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态，这种状态我们称之为三极管的饱和导通状态。

4

  三极管的特性曲线

三极管外部各极电压和电流的关系曲线，称为三极管的特性曲线，又称伏安特性曲线，用来描述三极管各端电流与两个PN结外加电压之间的关系，可直观、全面地反映三极管的电气性能的外部特性。

由于三极管为三端器件，在电路中要构成四端网络，它的每对端子均有两个变量（端口电压和电流），因此要在平面坐标上表示三极管的伏安特性，就必须采用两组曲线簇，最常采用的是输入特性曲线簇和输出特性曲线簇。它们不仅能反映三极管的质量与特性，还能用来定量地估算出三极管的某些参数，是分析和设计三极管电路的重要依据。

三极管的连接方式不同，对应的特性曲线也不同。应用最广泛的是共发射极电路，基本测试电路如图6所示。共发射极特性曲线可以用描点法绘出，也可以由晶体管特性图示仪直接显示出来。

图6 三极管特性曲线测试电路

1、输入特性曲线

在三极管共射极连接的情况下，当集电极与发射极之间的电压UBE 维持不同的定值时，

UBE和IB之间的一簇关系曲线，称为共射极输入特性曲线，如图7所示。

图7 三极管输入特性曲线

UCE≥1V，即给集电结加上固定的反向电压，集电结的吸引力加强，使得从发射区进入基区的电子绝大部分流向集电极形成Ic。同时，在相同的UBE值条件下，流向基极的电流IB减小，即特性曲线右移。总之，三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性相似，因为b、e间是正向偏置的PN结（放大模式下）

2、输出特性曲线

输出特性通常是指在一定的基极电流IB控制下，三极管的集电极与发射极之间的电压UCE同集电极电流Ic的关系。共射输出特性曲线表示以IB为参变量时，Ic和UCE间的关系为：Ic= f（UCE）/IB = 常数。在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度升高而增大。

实测的输出特性曲线如图8所示：根据外加电压的不同，整个曲线可划分为四个区：放大区、截止区、饱和区、击穿区。

图8 三极管输出特性曲线

（1）截止区：IB=0的那条特性曲线以下的区域（图中蓝色区域）。在此区域里，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态，三极管失去了放大作用，集电极只有微小的穿透电流ICEO。

（2）饱和区：图中绿色区域。在此区域内，对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。意味着当UCE较小时，Ic变化较小，即IB失去了对Ic的控制能力，三极管处于饱和状态。此时，三极管的发射结和集电结都处于正向偏置状态，即：UCE< UBE，IB> IC，UCE≈0.3V。

一般规定：当 UCE=UBE时的状态为临界饱和（VCB=0）；当 UCE＜UBE 时的状态为过饱和。饱和时的UCE用UCES表示，三极管深度饱和时UCES很小，一般小功率管的UCES＜ 0.3V，锗管的UCES＜ 0.1V，比硅管还要小。

（3）放大区：在截止区以上，介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内，特性曲线近似于一簇平行等距的水平线，Ic的变化与IB基本保持线性关系，即IC=bIB , 且 DIC = b D IB ，三极管具有电流放大作用。此外，集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱，当UCE＞1 V后，即使再增加UCE，Ic 也几乎不再增加，此时，若IB 不变，则三极管可以被看作一个恒流源。在放大区，三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。

（4）击穿区：随着UCE增大，反向偏置电压UCB相应增大。当UCE增大到一定值时，集电结就会发生反向击穿，造成集电极电流Ic剧增，这一特性表现在输出特性图上则为击穿区域。

造成击穿的原因是由于集电结是轻掺杂的，产生的反向击穿主要是雪崩击穿，击穿电压较大。除此之外，在基区宽度很小的三极管中，还会发生特有的穿通击穿，即：当UCE增大时，UCB相应增大，导致集电结的阻挡层宽度增宽，直到集电结与发射结相遇，基区消失，这时发射区的电子将直接受集电结电场的作用，引起集电极电流迅速增大，呈现类似击穿的现象。

5

  三极管的主要参数

三极管的参数是用来表征其各方面性能及其运用范围的指标，可以作为电路设计、调整和使用时的参考。主要参数有：

1、 电流放大系数

在讨论大幅度信号变化或涉及直流量时使用的直流放大系数：

在讨论小信号的变化量时使用的交流放大系数：

当基本不变（或在IE的一个相当大的范围内）时，

2、极间反向电流

表达式：ICEO= （1+β） ICBO

其中：ICBO指发射极开路时，集电极与基极间的反向饱和电流，ICEO指基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。

3、特征频率fT

fT是反映晶体管中两个PN结电容的影响的参数。当输入信号的频率增高到一定值后，结电容将起到明显的作用，使β下降，因此，fT是指使β下降到1时输入信号的频率。

4、极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM：Ic在一个很大范围内β值基本不变，当Ic超过一定数值后，β值明显下降，该值为ICM。

（2）集电极反向击穿电压U（BR）EBO、U（BR）CBO、U（BR）CEO、U（BR）EBO：集电极开路时，射一基极间的反向击穿电压，这是发射结允许的最高反向电压，一般为1伏～几伏。

U（BR）CBO：发射极开路时，集—基极间的反向击穿电压，即集电结所允许的最高反向电压，一般为几十伏～几千伏。

U（BR）CEO：基极开路时，集—射极间的反向击穿电压。一般U（BR）CBO> U（BR）CEO。

（3）集电极最大允许功率损耗PCM：PCM= Ic·UCE

PCM与三极管允许的温升有关，三极管在使用时的功耗不能超过PCM，一般硅管约为150℃，锗管为70℃即为上限温度。

6

  三极管的工作特点及应用

1.为了保证在放大模式信号时不产生明显的失真，三极管应该工作在输入特性的线性部分，而且始终工作在输出特性的放大区，任何时候都不能工作在截止区和饱和区。

2.为了保证三极管工作在放大区，在组成放大电路时，外加的电源极性应使三极管的发射结处于正向偏置状态，集电结处于反向偏置状态。

3. 当三极管工作在放大区时，由于其输入输出特性并不完全理想（表现为曲线而非直线），因此，放大后的波形仍有一定程度的非线性失真。

4.三极管是一个非线性元件，各项参数（如β、rbe等）均不为常数，在分析三极管组成的放大电路时，不能简单地采用线性电路的分析方法。放大电路的基本分析方法一般采用图解法和微变等效电路（小信号电路分析）法。

作为三端器件的晶体三极管是伏安特性为非线性的有源器件，工作在放大区时具有正向受控作用，等效为一个受控电流源，而工作在饱和区和截止区时具有可控开关特性。这种非线性和可控性（正向受控和可控开关）是实现众多电路功能的基础，或者说，众多的应用电路都是以三极管为核心，配以合适的外围电路组成的。利用三极管组成的电路可以有：放大电路、电流源、跨导线性电路、有源电阻、可控开关等。

三极管的开关特性在数字电路中应用广泛，是数字电路中最基本的开关元件，通常不是工作在饱和区就是工作在截止区，而放大区只是出现在三极管由饱和区变为截止或由截止变为饱和的过渡过程中，是瞬间即逝的。因此，对开关管我们要特别注意其开关条件和它在开关状态下的工作特点。

1948年，晶体管的发明给当时的电子工业界带来了前所未有的冲击，成为了今日电子时代的开端。之后以计算机为代表的电子技术取得飞速发展，三极管不仅在计算机、手机和消费电子产品中得到了广泛应用，还被广泛用于汽车、航空、家用电器、医疗设备以及数千种日用设备的电子控制中。按照摩尔定律的描述，晶体管密度大约每两年便会增加一倍，同时其功能和性能将提高，而成本则会降低。40多年以来，摩尔定律已经成为半导体行业的基本商业模式。今年，英特尔宣布公司在晶体管发展上又取得了革命性的突破，将推出被称为三栅极（Tri-Gate）的3-D晶体管设计，预示着微处理器技术和产品将随之出现前所未有的变革。我们有理由相信今后的发明恐怕都难以与晶体三极管的发明相提并论，晶体三极管为现代社会的发展带来了巨大的影响。