1.3 晶体管

1.3.1 晶体管的基本结构

半导体晶体管简称晶体管。由于在晶体管中参与导电的有电子和空穴两种载流子，因此称为双极型结型晶体管（Bipolar Junction Transistor）。按照晶体管内部结构的不同，晶体管分为NPN型和PNP型两种类型。

如图1-18a所示为NPN型晶体管的结构示意图。三层半导体分成基区、发射区和集电区，三个区引出引脚分别是基极B、发射极E和集电极C。它具有两个PN结：基区和发射区之间的PN结，称为发射结；基区和集电区之间的PN结，称为集电结。NPN型晶体管的电路图形及文字符号如图1-18b所示，图形符号中的箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向。

如图1-19a所示为PNP型晶体管的结构示意图。三层半导体同样分成基区、发射区和集电区。分别引出基极B、发射极E和集电极C。具有发射结和集电结两个PN结。PNP型晶体管的电路图形及文字符号如图1-19b所示，图形符号中的箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向。

1.3.2 晶体管电流放大作用

晶体管具有电流放大的作用。为使晶体管实现电流放大，晶体管的内部结构和外部条件都必须满足一定的条件。

从晶体管的内部结构来看，应具有以下几点。

● 发射区进行高掺杂，远大于集电区，其中的多数载流子浓度很高。

● 基区做得很薄，而且掺杂较少，多数载流子浓度最低。

● 集电区与基区接触面积大，可保证尽可能多地收集到发射区发射的电子。

从外部条件看，外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，集电结处于反向偏置状态。也就是说，对于NPN型晶体管，U_BE＞0、U_CB＞0，也可从电位上满足V_C＞V_B＞V_E，如图1-20a所示；对于PNP型晶体管，U_BE＜0、U_CB＜0，也可从电位上满足V_C＜V_B＜V_E，如图1-20b所示。

以NPN型晶体管为例来分析晶体管的电流放大原理。晶体管中的载流子运动如图1-21a所示，电流分配如图1-21b所示。

● 发射区向基区发射自由电子：由于发射结正偏，外加电场使发射区自由电子（多数载流子）向基区的扩散运动增强。由于发射区高掺杂，注入基区的电子浓度远大于基区向发射区扩散的空穴数，即：发射极电流I_E主要由发射区发射的电子电流所产生。

● 载流子在基区扩散和复合：自由电子到达基区后，与基区中多子空穴复合而形成基极电流I_BE，基区被复合掉的空穴由外电源不断进行补充。但由于基区空穴浓度较低，而且基区很薄，所以大大减少了电子与基区空穴复合的机会，绝大部分自由电子都能扩散到集电结边缘。

● 集电极收集自由电子：由于集电结反向偏置，外电场的方向将阻止集电区的多子自由电子向基区运动，但可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的自由电子拉入集电区，从而形成电流I_CE。

除此以外，由于集电结反向偏置，集电区的少数载流子（空穴）和基区的少数载流子（电子）将向对方区域运动，形成漂移电流，称为集电极和基极间的反向饱和电流，用I_CBO表示。这些电流数值很小，可近似认为I_C≈I_CE、I_B≈I_BE。

根据基尔霍夫电流定律，晶体管的三个电极的电流关系为

通常将I_CE与I_BE之比称为晶体管的直流电流放大系数，即

通常将集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比定义为晶体管的交流电流放大系数，用β表示，即

直流参数与交流参数β含义不同，但，在计算中统一用β。实验表明，I_C比I_B大数十至数百倍，但I_B对I_C有控制作用，I_C随着I_B的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是晶体管的电流放大作用。

【例1-2】有两个晶体管分别接在放大电路中都正常工作，起电流放大作用，今测得它们三个引脚对参考点的电位，如表1-1所示。试判断：（1）是硅管还是锗管；（2）是NPN型还是PNP型；（3）晶体管的三个电极（B、C、E）。

解：晶体管VT₁的三个引脚中，引脚1和引脚3电位差为0.7V，所以它是硅管，且它们一个是B，一个是E。因此，引脚2必是C，而在VT₁的三个引脚中，引脚2（是C）的电位最高，所以晶体管VT₁必是NPN型晶体管。对于NPN型晶体管而言，晶体管起电流放大时，有V_C＞V_B＞V_E成立，所以引脚1是B，引脚2是C，引脚3是E。

晶体管VT₂的三个引脚中，引脚1和引脚2电位差为0.3V，所以它是锗管，且它们一个是B，一个是E。因此，引脚3必是C，而在VT₂的三个引脚中，引脚3（是C）的电位最低，所以晶体管VT₂必是PNP型晶体管。对于PNP型晶体管而言，晶体管起电流放大时，有V_C＜V_B＜V_E成立，所以引脚1是E，引脚2是B，引脚3是C。

1.3.3 晶体管的特性曲线

晶体管的特性曲线是指用来描述晶体管各极电压与电流的相互关系曲线，包括输入特性曲线和输出特性曲线。如图1-22所示为NPN型晶体管特性曲线测试电路。

1．输入特性曲线

当集电极-发射极电压U_CE不变时，输入回路中的基极电流I_B与基极-发射极电压U_BE之间的关系曲线称为输入特性曲线，即

输入特性曲线如图1-23所示。

从图1-23中可以看出，输入特性曲线与二极管正向特性类似。严格地说，在相同的U_BE下，随着U_CE的增大，输入特性略向右移动。当U_CE≥1V后，不同U_CE值的各条输入特性曲线几乎重叠在一起，所以常采用U_CE=1V的输入特性曲线来代表U_CE更高的情况。

2．输出特性曲线

当基极电流I_B不变时，输出回路中的集电极电流I_C与集电极-发射极电压U_CE之间的关系曲线称为输出特性，即I_C=。在不同的I_B下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线，如图1-24所示。在输出特性曲线上可以划分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。

（1）截止区

将I_B=0μA曲线以下的区域称为截止区。在截止区中，晶体管处于发射结反偏，集电结反偏的状态。当I_B=0μA时，U_CE≈U_CC、I_C≤I_CEO，晶体管处于截止状态，没有放大作用，发射极和集电极间相当于一个开关的断开状态。其中，I_CEO是指基极开路时，集电极和发射极之间的穿透电流。

（2）放大区

当发射结正向偏置、集电结反向偏置时，晶体管处于放大状态，对应的区域就是放大区。在放大区，输出特性是一组以I_B为参变量的几乎平行于横轴的曲线族。在放大区，集电极电流随着基极电流的变化而变化，二者的关系为I_C=βI_B，因此放大区也称线性区或线性放大区。

（3）饱和区

曲线靠近纵坐标轴的附近，各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。在饱和区，发射结和集电结都处于正向偏置状态，I_B的变化与I_C的变化不成比例，此时的集电极发射极间的电压U_CE被称为集射极饱和电压，用U_CES表示，U_CES≈0，晶体管失去了放大作用。晶体管工作在饱和区时，发射极和集电极间相当于一个开关的闭合状态。

表1-2列出了NPN型晶体管的三种工作状态对应的外部条件及典型数值。在放大电路中，晶体管工作在放大区，可以实现放大作用。而在开关电路中，晶体管则工作在截止区和饱和区，相当于一个开关的断开和闭合状态。

【例1-3】已知在某电路中，三个晶体管的它们三个电极的电位分别如图1-25a、b、c所示，试判断它们分别处于什么工作状态。

解：图1-25a中，U_BE=1.2V-1.9V=-0.7V＜0，U_BC=1.2V-8V=-6.8V＜0，说明：晶体管的发射结反偏，集电结反偏，处于截止状态。

图1-25b中，U_BE=2.5V-1.8V=0.7V＞0，U_BC=2.5V-8V=-5.5V＜0，说明：晶体管的发射结正偏，集电结反偏，处于放大状态。

图1-25c中，U_BE=2.4V-1.7V=0.7V＞0，U_BC=2.4V-2V=0.4V＞0，说明：晶体管的发射结和集电结都是正偏，处于饱和状态。

1.3.4 晶体管的主要参数

（1）电流放大系数和β

晶体管的电流放大系数分为直流放大系数和交流放大系数β，一般情况下，可以直接使用β作为晶体管的电流放大系数，放大状态下，I_C=βI_B。常用的小功率的晶体管的β值为20～150，随温度升高，β值会有所增大。

（2）集电极最大允许电流I_CM

当集电极电流I_C超过一定值时，晶体管的β值就会下降。当β值下降到正常值的2/3时的集电极电流，称为集电极最大允许电流I_CM。在实际使用时，晶体管需满足I_C＜I_CM。

（3）集射极反向击穿电压U_（BR）CEO

基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集射极反向击穿电压U_（BR）CEO。在实际使用时，晶体管需满足U_CE＜U_（BR）CEO。

（4）集电极最大允许耗散功率P_CM

正常工作状态下，晶体管允许消耗的最大功率称为集电极最大允许耗散功率。在实际使用时，晶体管需满足P_C＜P_CM，其中P_C=U_CEI_C。P_CM主要受结温限制，一般来说，锗晶体管允许结温为70～90℃，硅晶体管约为150℃。

由I_CM、U_（BR）CEO、P_CM三个极限参数共同界定了晶体管的安全工作区如图1-26所示的阴影部分。需要强调的是，P_CM≠I_CMU_（BR）CEO。

（5）集基极反向饱和电流I_CBO

I_CBO是指当发射极开路时，集电结处于反向偏置，由集电区流向基区的反向饱和电流。I_CBO受温度的影响较大，I_CBO越小晶体管的热稳定性越好，硅晶体管在温度稳定性方面胜于锗晶体管。

（6）集射极反向饱和电流I_CEO

I_CEO是指当基极开路时，由集电极流向发射极的穿透电流。I_CEO受温度的影响很大，与I_CBO满足关系式。一般硅管的I_CEO比锗管的I_CEO小2～3个数量级。