2.1 半导体三极管

学习目标：

① 了解三极管的结构、类型及符号。

② 掌握三极管的伏安特性、主要参数，能在实践中合理选用三极管。

③ 了解温度对三极管特性的影响，会用万用表判别三极管的引脚和质量优劣。

三极管是电子电路最基本、最常用的半导体器件。了解三极管的放大原理，掌握三极管的识别、特性、测试方法以及参数选用是电子工程技术人员的基本技能。通过本节学习，熟悉三极管的结构、符号、引脚、伏安特性及主要参数；并能通过各种三极管的外形特征，辨别三极管的引脚和质量的优劣。

2.1.1 三极管的基本结构与类型

半导体三极管是由两个PN结，通过一定的工艺结合在一起的器件。在工作过程中，电子和空穴两种载流子都参与导电，故又称双极型三极管，简称三极管。

1．半导体三极管的种类

半导体三极管是一个“大家族”，“人丁众多”，品种齐全。表2-1所列是半导体三极管种类。

2．半导体三极管的结构

三极管的种类很多，按照结构的不同分为两种类型：NPN型管和PNP型管。如图2-1所示为NPN和PNP管的结构示意图和电路符号，符号中的箭头方向由P指向N。

由图2-1可见，无论是NPN型还是PNP型三极管都有三个区：集电区、基区和发射区，引出的三个电极分别为集电极C、基极B和发射极E。集电区与基区交界处的PN结叫集电结，发射区与基区交界处的PN结叫发射结。三极管各区的结构分布很均匀，实际中为了保证三极管的电流放大作用，发射区掺杂浓度远高于集电区掺杂浓度；基区很薄并且掺杂浓度低；而集电结的面积比发射结要大得多，因此三极管的发射极和集电极不能互换使用。

图2-2所示为几种常见三极管的外形图，三极管的型号命名方法可参阅有关书籍。

2.1.2 三极管的电流放大原理

1．三极管的工作原理

三极管在工作中要实现电流放大的作用，必须满足两个条件：一是满足内部结构条件；二是满足一定的外部条件—必须给发射结加正向偏置电压（发射结的P区接电源正极，N区接电源负极），给集电结加反向偏置电压（集电结的P区接电源负极，N区接电源正极）。

三极管在放大电路中的连接方式有三种，如图2-3所示，它们分别称为共基极、共发射极和共集电极。无论哪种接法，外加直流工作电压都必须保证使三极管的发射结正偏、集电结反偏。NPN型和PNP型三极管除了电源极性和电流方向正好相反以外，它们的工作原理基本一致。下面就以NPN型三极管为例来分析其电流放大原理。

2．三极管的电流放大作用

三极管具有电流放大作用，是取决于三极管内部载流子的传输规律和特殊的内部结构。下面通过如图2-4所示实验电路，对三极管中的电流情况进行观察和分析。

图中外部电源Eb、Ec为三极管的两个PN结提供偏置电压，保证使三极管的发射结正偏、集电结反偏。当调节可变电阻 RB的值时，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生了变化，测量结果见表2-2。由此，实验及测量结果可得出以下结论。

① 观察表2-2中的实验数据的每一列，可得

此结果符合基尔霍夫电流定律。

② IE和IC都比IB大得多。通常可认为发射极电流IE约等于集电极电流IC，即

③ 三极管具有电流放大作用，由表2-2中的第四列和第五列的数据可知，IC与IB的比值分别为

通过分析可知：三极管的电流是通过很小的基极电流IB产生很大的集电极电流IC，IC与IB的比值称为三极管的共发射极直流放大系数，用表示，即

这就是三极管的电流放大作用。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化ΔIB可以引起集电极电流较大的变化ΔIC。下面由表2-2中的第四列和第五列的数据可知：

由表2-2可以看出，对于一个三极管而言，电流放大系数在一定范围内几乎不变。这个电流放大系数称为三极管的共发射极交流放大系数，用β表示，即

一般计算中，和β近似相等，所以可看成=β。

2.1.3 三极管的特性曲线及主要参数

三极管的特性曲线是用来表示该管各极电压和电流之间相互关系的，它包括输入特性曲线和输出特性曲线。下面以NPN型三极管的共发射极接法的特性曲线为例进行分析和介绍，三极管特性的测试电路如图2-5所示。

1．输入特性曲线

如图2-6所示，输入特性是指在三极管集电极与发射极之间的电压 UCE为一定值时，基极电流IB同基极与发射极之间的电压UBE的关系，即

① 当 UCE=0V时，发射结正向偏置，输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线类似。

② 当UCE≥1V时，UCE的变化对IB的变化很小，所以曲线右移很小，可以近似认为与UCE=1V时的曲线重合，因此通常只画出UCE=1V的一条曲线来代替UCE≥1V时的所有曲线。

由图2-6可见，三极管输入特性和二极管的伏安特性一样，也存在一段死区。只有在发射结的外加电压大于死区电压时，三极管才能导通出现电流IB。硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。正常工作时，NPN型硅管的发射结电压UBE=0.6～0.7V，PNP型锗管的UBE=0.2～0.3V。

2．输出特性曲线

输出特性曲线是指在基极电流IB为一定值（常数）时，三极管集电极电流IC与集电极与发射极之间的电压UCE的关系，即

在不同的基极电流IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性曲线是一组曲线，如图2-7所示。当基极电流IB一定时，随着UCE从零增加，集电极电流IC先直线上升，然后趋于平直。这是因为从发射区扩散到基区的电子数量大致是一定的。在UCE≥1V以后，这些电子的绝大部分已经被拉入集电区而形成IC，以致当UCE继续增加时，IC也不再有明显增加，具有恒流特性，且满足IC=βIB。当IB增大时，相应的IC也增大，曲线上移，体现了三极管的电流放大作用。通常把三极管的输出特性曲线分为放大区、截止区和饱和区3个工作区，如图2-7所示。

（1）放大区

输出特性曲线近于水平的部分是放大区。在放大区IC=βIB。因为在放大区IC和IB成正比例关系，所以放大区也称为线性区。当 IB固定时，IC也基本不变，具有恒流的特性；当IB变化时，IC也有相应的变化，表明IC是受IB控制的受控源。如前文所述，三极管工作于放大状态时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。

（2）截止区

IB=0这条曲线及以下的区域称为截止区。IB=0时，IC=IE=ICEO。对于NPN型管而言，当 UBE＜0.5V时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使 UBE＜0V，截止时发射结处于反向偏置，集电结也处于反向偏置。

（3）饱和区

靠近纵坐标特性曲线的上升和弯曲部分所对应的区域称为饱和区。在饱和区，UCE＜UBE集电结处于正向偏置，此时的UCE值常称为三极管的饱和压降，用UCES表示，小功率硅管的UCES通常小于0.5V。由于在饱和区IC不随IB的增大而成比例地增大，因而三极管失去了线性放大作用，故称为饱和。饱和时，发射结处于正向偏置，集电结也处于正向偏置。

通过以上分析，三极管不仅具有放大电流的作用，还具有开关特性。三极管常用做开关元件使用时，三极管就工作在饱和区和截止区；当三极管用做放大器使用时，工作在放大区。

3．主要参数

三极管的参数可以作为选管的依据，也是用来作为评价三极管质量优劣的依据，还可用一些参数来表示其性能和使用范围。下面介绍三极管的主要参数。

（1）电流放大系数β，

前文对电流放大系数已有介绍，一般计算中，可看成=β，常用的三极管的β值在20～200之间。但在实际选取时，若 β值太大，工作不稳定；若 β值太小，放大能力会变差，因此一般选用30～100。

（2）集-射极反向截止电流ICEO

它是指基极开路(IB=0)时，集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时的集电极电流。又因为它从集电极直接穿透三极管而到达发射极，所以又称为穿透电流。ICEO会随温度升高而增大，ICEO越小，管子越稳定，噪声越小，故此电流应越小越好。

（3）集电极最大允许电流ICM

ICM是指三极管正常工作时集电极所允许的最大电流。当集电极电流IC超过一定值时，三极管的β值就要下降，如果IC超过ICM，则 β值会下降到不允许的情况。

（4）集-射极反向击穿电压U(BR)CEO

当基极开路时，在集电极-发射极间的最大允许电压，也称集-射极反向击穿电压。若UCE＞U(BR)CEO时，集-射极反向截止电流ICEO会突然上升，将导致三极管被击穿。

（5）集电极最大允许耗散功率PCM

PCM是指三极管正常工作时，集电结所允许的最大消耗功率。当集电极电流IC流过集电极，使三极管发热后达到一定温度，其性能变差或者损坏。故使用时应该使集电极消耗的功率 PC＜PCM。PCM主要受结温度和散热条件的限制，一般来说，锗管允许结温度约为70～90℃，硅管约为150℃；若想要改善散热条件的话，可以提高PCM。

2.1.4 实训项目：三极管的判别与检测

1．技能目标

① 掌握万用表电阻挡使用方法。

② 掌握三极管极性的判别方法。

③ 能用万用表判别晶体三极管的质量优劣。

2．工具和仪器

① 万用表。

② 各类三极管。

3．技能训练

（1）找出基极，并判定管型（NPN或PNP）

对于PNP型三极管，C和E极分别为其内部两个PN结的正极，B极为它们共同的负极；而对于NPN型三极管而言，则正好相反，即C和E极分别为两个PN结的负极，而B极则为它们共用的正极。根据PN结正向电阻小反向电阻大的特性就可以很方便的判断基极和管子的类型。具体方法如下：

如图2-8所示，将万用表拨在R×100或R×1k挡上，红笔接触某一管脚，用黑表笔分别接另外两个管脚，这样就可得到三组（每组两次）的读数，当其中一组二次测量都是几百欧的低阻值时，若公共管脚是红表笔，所接触的是基极，则三极管的管型为PNP型；若公共管脚是黑表笔，所接触的也是基极，则三极管的管型为NPN型。

（2）判别发射极和集电极

由于三极管在制作时，两个P区或两个N区的掺杂浓度不同，如果发射极、集电极使用正确，三极管具有很强的放大能力；反之，如果发射极、集电极互换使用，则放大能力非常弱，由此即可把管子的发射极、集电极区别开来。

判断集电极和发射极的基本原理是把三极管接成单管放大电路，利用测量管子的电流放大系数β值的大小来判定集电极和发射极。

如图2-9所示，将万用表拨在R×1k挡上。用手（以人体电阻代替100kΩ）将基极与另一管脚捏在一起（注意不要让电极直接相碰），为使测量现象明显，可将手指湿润一下，将红表笔接在与基极捏在一起的管脚上，黑表笔接另一管脚，注意观察万用表指针向右摆动的幅度。然后将两个管脚对调，重复上述测量步骤。比较两次测量中表针向右摆动的幅度，找出摆动幅度大的一次。对PNP型三极管，则将黑表笔接在与基极捏在一起的管脚上，重复上述实验，找出表针摆动幅度大的一次，对于NPN型，黑表笔接的是集电极，红表笔接的是发射极。对于PNP型，红表笔接的是集电极，黑表笔接的是发射极。

这种判别电极方法的原理是：利用万用表内部的电池，给三极管的集电极、发射极加上电压，使其具有放大能力。用手捏住其基极、集电极时，就等于通过手的电阻给三极管加一正向偏流，使其导通，此时表针向右摆动幅度就反映出其放大能力的大小，因此可正确判别出发射极、集电极来。

（3）测量三极管

① 对各个三极管的外观标识进行识读，并将识读结果填入表2-3中。

② 用万用表分别对各三极管进行检测，判断其管脚和性能好坏，将测量结果填入表2-3中。

（4）实训项目考核评价

完成实训项目，填写表2-4所列考核评价表。