第一章  半导体器件基础

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知识点三：半导体三极管

（一）三极管的结构及符号

导体三极管（下称三极管）又称晶体三极管，一般简称晶体管，或双极性晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，不同于单个PN结的性能，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。

三极管从结构上来讲分为两类：NPN型和PNP型三极管。图1.21所示为三极管的结构示意图和符号。

从图1.21中可见，三极管具有3个电极：基极b 、集电极c和发射极e；对应有3个区：基区、集电区和发射区：有两个PN结：基区和发射区之间的PN结称为发射结Je，基区和基电区之间的PN结称为集电结JC。

符号中发射极上的箭头方向表示发射结正偏时电流的流向。

三极管制作时，通常它们的基区做得很薄（几微米到几十微米），且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度比较高；集电区的面积则比发射区做得大。这是三极管实现电流放大的内部条件。

三极管可以是由半导体硅材料制成都，称为硅三极管；也可以是由锗材料制成的；称为锗三极管。

三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率可分为高频管、低频管和开关管；根据工作功率个分为大功率管、中功率管和小功率管。常见的三极管外形如图1.22所示。

（二）三极管的电流分配原则及放大作用

要实现三极管的电流放大作用，首先要给三极管各电极加上正确的电压。三极管实现放大的外部条件是其发射结必须加正向电压（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。

1.实验结论

为了了解三极管的电流分配原则及其放大原理，首先做一个实验。实验电路如图1.23所示。在电流中，要给三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保证三极管能起到放大作用。改变可变电阻Rb的值，则基极电流IB 、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化。电流的方向如图1.23所示。测量结果如表1.3所示。

由实验及测量数据结果可以得出以下结论。

①实验数据中的每一列数据均满足关系：IE= IC+IB。 此结果符合基尔霍夫电流定律。

②每一列数据都有IC>> IB，而且IC与 IB的比值近似相等，约等于50。

从第3列和第6列的数据可知IC和IB的比值分别为：

可见，三极管的集电极电流和基极电流之间满足一定的比例关系，此即三极管的电流放大作用。定义叫做三极管的直流电流放大系数。

③对表1.3中任两列数据求IC和IB变化量的比值，结果仍然近似相等，约等于50。比较第3列和第4列的数据可得：

由此可见，当三极管的基极电流有一个小的变化量（0.02mA）时，则在集电极上可以得到一个与基极电流成比例变化的较大电流（0.995mA）.也就是说，三极管可以实现电流的放大及控制作用，因此通常称三极管为电流控制器件。定义称为三极管的交流电流放大系数。

一般有三极管的电流放大系数：β≈

④从表1.3中可知，当IB=0（基极开路）时，集电极电流的值很小，称此电流为三极管的穿透电流ICEO。穿透电流ICEO越小越好。

2. 三极管实现电流分配的原理

上述实验结论可以用载流子在三极管内部的运动规律来解释。图1.24所示为三极管内部载流子的传输与电流分配示意图。

①发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。由于发射结正向偏置，有利于多数载流子的扩散运动，发射区的多数载流子自由电子不断扩散到基区，并不断从电源补充电子，形成发射极电流IE。同时基区的多数载流子空穴也要扩散到发射区，但基区空穴的浓度远远低于发射区自由电子的浓度，空穴电流很小，可以忽略不计。

②自由电子在基区与空穴对复合形成基极电流IB 。由发射区扩散到基区的电子在发射结处浓度高，而在集电结处浓度低，形成浓度上的差别，因此自由电子在基区将向集电结方向继续扩散。在扩散到过程中，一小部分自由电子与基区的空穴相遇而复合，基区电源不断补充被复合掉的空穴，形成基极电流IB。

一般基区很薄，且杂质浓度低，自由电子在基区与空穴复合的比较少，大部分自由电子到达集电结附近。

③集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成基电极电流Ic 。集电结反向偏置，可对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，阻止集电区的多数载流子(自由电子)和基区的多数载流子（空穴）向对方区域扩散，但可将从发射区到基区并到达集电区边缘的自由电子拉入集电区，从而形成集电极电流Ic。

从发射区扩散到基区的自由电子，只有一小部分在基区与空穴复合掉，绝大部分被集电区收集。

另外，集电结反偏有利于少数载流子的漂移运动。集电区的少数载流子空穴漂移到基区，基区的少数载流子自由电子漂移到集电区，形成反向电流ICBO。 ICBO很小，受温度影响很大，常忽略不计。

若不计反向电流ICBO，则有IE=IC+IB, 即集电极电流与基极电流之和等于发射极电流。PNP管与NPN管的工作过程类似，只是所加大电压极性、产生的电流方向与NPN管刚好相反。

3.结论

①要使三极管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。

②一般有β>>1 。通常认为β≈

③三极管的电流分配及放大关系式为：

【例1-3】在图1.23所示的电路中，若测得IB=0.025mA，取β=50.试计算IC和IE的值。

（三）三极管的特性曲线及主要参数

1. 三极管的特性曲线

三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。它可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。以NPN型硅三极管为例，其常用的特性曲线有以下两种

⑴ 输入特性曲线

它是指一定集电极和发射电极UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性如图1.25所示，从图中可以看出以下两点。

①这是UCE≥IV时的输入特性，这时三极管处于放大状态。当UCE>1V后，三极管的输入特性基本上是重合的。

②三极管输入特性的形状与二极管的伏安特性相似，也具有一段死区。只有发射结电压UBE大于死区电压时，三极管才会出现基极电流 IB ，这时三极管才完全进入放大状态。此时UBE略有变化，IB就变化很大，特性曲线很陡。

⑵ 输出特性曲线

它是指一定基极电流 IB下，三极管的集电极电流 IC与电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性如图1.26所示。从图1.26中可见，在不同的基极电流 IB下，可以得出不同的曲线。因此改变 IB的值，所得到的三极管输出特性曲线是一组曲线。

当 IB一定（如 IB=40µA）时，在其所对应曲线的起始部分，随UCE的增大IC 上升；当UCE达到一定的值后，IC 几乎不再随UCE的增大而增大，IC基本恒定（约1.8mA）。这时，曲线几乎与横坐标平行。这表示三极管具有恒流的特性。

一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，下面分别介绍。

①截至区。如图1.26所示，IB=0的曲线下方所对应的区域称为截至区。这时，有 IC=ICEO(穿透电流)，在表1.3中其值小于0.001mA。

三极管工作在截至状态时，具有以下几个特点。

a. 发射结和集电结均反向偏置

b. 若不计穿透电流ICEO,有IB、 IC近似为0。

c. 三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。

②放大区。图1.26中，输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工作在放大状态时，具有以下特点。

a. 三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。

b. 基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，有电流关系式： IC=βIB 。

c. 对NPN型的三极管，有电位关系UC> UB >UE。

d. 对NPN型硅三极管有发射结电压UBE≈0.7v，锗三极管有UBE≈0.2v.

③饱和区。图1.26中，特性曲线迅速上升和弯曲部分之间的区域称为饱和区。三极管工作中饱和状态时具有如下特点。

a. 三极管的发射结和集电结均正向偏置。

b. 三极管的电流放大能力下降，通常有IC<βIB

c. UCE的值很小，称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V 锗三极管UCES的0.1V。

d. 三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。

三极管作为开关使用时，通常工作在截至和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。

【例1-4】一个工作在放大状态中的三极管，已经测得其3个引出端的电位分别为①3.5v、②6.6v和③2.8v。试问此三极管是什么类型？3个引出端分别对应管子的什么电极？

解：因为管子工作在放大区，而且有6.6v>3.5v>2.8v，所以根据放大状态的特点：①端应该对应三极管的基极b②端对应三极管的集电极c；③端对应三极管的发射极e；此三极管为NPN型的硅管。

2. 三极管的主要参数

三极管的参数有很多，如电流放大系数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查半导体手册得到。三极管的参数是正确选定三极管的重要依据，下面介绍三极管的几个主要参数。

（1）共发射极电流放大系数 和β

它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。在共发射极接法下，静态无变化信号输入时，三极管集电极电流与基极电流的比值称为共发射极直流电流放大系数，表达式为：

在交流电工作状态下，三极管集电极变化量与基极电流变化量的比值称为共发射极交流电流放大系数β，表达式为

一般β≈ ，其值在20～100之间。

（2）极间反向电流

①集电极基极间的反向饱和电流ICBO。它是指发射极开路时，在其集电结上加反向电压得到的反向电流。ICBO对温度十分敏感，该值越小，三极管的温度特性越好。

硅管的ICBO比较小，为纳安数量级；锗管的ICBO较大，为微安数量级。

②集电极发射极间的穿透电流ICBO。它是指基极开路（IB=0）时，集电极到发射极间的电流有关系ICEO≈(1+β) ICBO

ICEO同ICBO一样随温度的升高而增大，它也是衡量三极管热稳定性的一个重要参数，其值月小，三极管的热稳定性越好。硅三极管的反向电流小，应用中选用较多。

（3）极限参数

①集电极最大允许电流ICM。IC增加时，β要下降。当β值下降到线性放大区β值的70%时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。三极管正常工作时，集电极电流IC要小于ICM，否则，管子的性能下降，严重时管子会因过流而损坏。

②集电极最大允许损耗功率PCM 。它表示集电结上允许损耗功率的最大值，超过此值，三极管的性能会下降甚至烧坏。因此实际应用中，三极管集电极电流通过集电结说产生的功率PC= ICuCE ，要小于PCM.如图1.27所示，虚线为管子的允许功率损耗线，虚线以内的区域表示管子工作时的安全区域。

PCM与三极管的散热条件、最高允许结温和集电极最大电流密切相关。

通常将PCM< 1W 的三极管称为小功率管，将1W< PCM< 5W的三极管称为中功率管，将PCM≥5W的三极管称为大功率管。

③反向击穿电压。三极管有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种。

选择三极管时，要保证反向击穿电压打印工作电压的两倍以上。

3. 温度对三极管特性的影响

同二极管一样，三极管也是一种对温度是否敏感度器件，随温度的变化，三极管的性能参数也会改变。

实验表明，随温度的升高，三极管的输入特性具有负的温度特性，即在相同的基极电流IB 下，UBE的值会随温度的升高而减小。温度每升高1℃，UBE会下降约2mV。对于三极管的输出特性，在相同的基极电流变化下，各条曲线之间的间隔会随温度的升高而拉宽，β值会增大。温度每升高1℃，β值大约增大1%。反向电流会随温度的升高而增大，温度每升高1℃，β值大约增大1%。反向电流会随温度的升高而增大，温度每升高1℃，反向饱和电流将增加一倍。图1.28和图1.29所示为三极管的特性曲线受温度的影响情况。

【例1-5】某一三极管的

（四）特殊三极管

1. 光电三极管

光电三极管又叫光敏三极管，是一种相当于在三极管的基极和集电极之间接入一只光电二极管的三极管，光电二极管的电流相等于三极管的基极电流。此类管子，从结构上讲，其基区面积比发射区面积大很多，光照面积大，光电灵敏度比较高，因为具有电流放大作用，在基电极可以输出很多的光电流。

光电三极管有塑封、金属封装（顶部为玻璃镜窗口）、陶瓷、树脂等多种封装结构，引脚分为两脚和三脚型。一般两个管脚的光电三极管，管脚分别为集电极和发射极，而光窗口则为基极。图1.30所示为光电三极管的等效电路、符号和外形。

在无光照射时，光敏三极管处于截至状态，无电信号输出。当光信号照射其基极时，光敏三极管导通，从发射极或集电极输出放大后的电信号。

2. 光耦合器

光耦合器是把发光二极管和光电三极管组合在一起的光电转换器件。图1.31所示为光耦合器的一般符号。

此类器件以光为媒介，实现电—光—电动传递与转换，电路的输入回路和输出回路各自独立，不共地。因此，该类器件的抗干扰能力强，广泛应用于检测和控制系统中的光电隔离方面。

3. 达林顿管（复合管）

达林顿管是指两个或两个以上的三极管按一定方式连接而成的管子，电流放大系数及输入阻抗都比较大。

达林顿管分为普通达林顿管和大功率达林顿管，主要用于音频功率放大、电源稳压、大电流驱动、开关控制等电路。其连接方式和分析方法在模块三多级放大电路与频率响应中会有详细介绍。