(04730)半导体器件之晶体三极管

晶体三极管的结构和分类

晶体三极管具有三个区、两个PN结，从三个区分别引出三个电极而构成，其结构和符号如图2.1.13所示。

晶体三极管内部的三个区，分别称为发射区、基区和集电区，其中基区十分薄，一般为1um至几十um,掺杂浓度较低，载流子数量较少；发射区、集电区掺杂浓度较高，载流子数量较多，从三个区分别引出的电极称为发射极(E)、基极(B)和集电极(C),基区与发射区之间的PN结称为发射结，基区与集电区之间的PN结称为集电结，工艺上保证发射结面积小于集电结的面积。

按三个区的掺杂形式可分为PNP管和NPN管两种，分别如图2.1.13(a)和(b)所示。在电路符号中PNP管发射极的箭头向内；NPN管发射极的箭头向外。箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。

晶体三极管根据所用半导体材料不同，可分为硅三极管和锗三极管；根据工作频率特性可分为低频管和高频管；根据功率又可分大、中、小功率管等。本教材一般情况下都以硅材料NPN型三极管为例进行分析讨论，PNP型三极管的工作原理等类同。

晶体三极管电流分配和放大作用

为了说明晶体三极管的电流分配关系和放大原理，下面以常用的硅材料NPN三级管组成共发射极接法电路为例进行讨论。

图2.1.14为电源偏置电路，图中EB为基极电源，使发射结正偏；EC为集电极电源，使集电结反偏；发射极接地为三极管放大电路的参考电位点，这样才能使三极管具有电流放大作用。图2.1.15为内部载流子运动示意图，它可直观反映电流分配关系。

(1)发射区向基极发射电子形成发射极电流Ie

由于发射结正偏（搞清楚为什么正偏），发射区的多数载流子自由电子在外加基极电源的作用下，不断地越过发射结而进人基区，Eb和Ec的负极又不断地同时向发射区补充电子形成发射极电流IE,IE的方向与电子的运动方向相反。

(2)基区中电子和空穴的复合形成I

大量的自由电子进人基区后有极少一部分与基区中的空穴复合，基极电源EB。不断补充基区的空穴形成基极电流Ib,也有大部分的自由电子被集电结的反向电场吸引，造成自由电子在基区中向集电结进行扩散。晶体三极管的放大能力取决于基区中自由电子扩散的电子流与复合电子流的比例。

(3)集电区收集电子形成Ic

由于集电结反偏（搞清楚为什么反偏），外加反向电场将阻止集电区自由电子向基区扩散，但将大量吸引基区

扩散到集电结附近的自由电子，并流向集电极构成集电极电流Ic的主要部分。此外，集电区的少数载流子空穴也会产生漂移运动，流向基区，形成很小的反向饱和电流ICBO。温度的变化对ICBO影响很大。

由KCL定律，三个电流的关系为

通过实验可以表明，UBE在一定范围内变化时，Ic和Ib差不多是按一定比例变化的，其比值用β表示，称为三极管的直流电流放大系数，一般在20~200倍左右，写为

ICBO为集电极一发射极反向饱和电流，也称穿透电流，具体将在后述内容中再作说明。

由此可见，IB尽管较小，但对IC有一种控制作用，IC随IB的变化而变化，这就是三极管的电流放大作用，但这种放大作用应该理解为小电流IB对大电流IC的电流控制能力。

晶体三极管的特性曲线

晶体三极管的特性曲线是说明三极管各极电压和电流之间的关系曲线，它是分析三极管组成的各种电路工作过程的重要技术曲线。特性曲线又分为输人特性曲线和输出特性曲线两类，特性曲线可用晶体管图示仪直接测出，也可以通过实验线路的方法测得，图2.1.16所示为共射接法特性曲线测试电路示意图。

输入特性

输人特性是指晶体三极管集一射之间电压uCE为一定值时，基极电流iB基一射之间电压uBE的关系曲线，其数学表达式写为：

当uCE=0时，三极管相当于两个PN结并联，而且都处于正向偏置，输人特性类似于PN结的正向伏安特性，也有一段死区，硅管死区电压约为0.5V,锗管死区电压约为0.2V;当uBE大于死区电压时，发射结正向导通，基极电流iB随uBE的增大而迅速增大，导通后，发射结正向电压硅管为0.6V~0.7V,一般取0.7V;锗管为0.2V~0.3V,一般取0.3V。

当uCE≥1时，集电结处于反向偏置，三极管工作在放大区，由于集电极电源对发射区扩散到基区的绝大部分自由电子的吸收，造成基极电流的减小，输人特性会有右移，继续加大uCE则对iB的影响很小，理论分析时，一般用uCE≥1时的输人特性，如图2.1.17所示。

输出特性

输出特性是指晶体三极管的基极电流为一定值时，集电极电流iC与集一射之间电压uCE的关系曲线，如图2.1.18所示。数学表达式写为：

当uCE较小时，iC随uCE的变化陡急上升，iC不受iB的控制。当uCE较大时，iC的大小基本趋于不变，受iB大小的控制，而不受uCE的控制。

输出特性曲线分为三个工作区域，也就是说三极管具有三种工作状态。

截止区

在iB=0以下的区域粗略地称为截止区，这时IC=ICEO,晶体三极管的集电极与发射极之间接近断路，相当于开关的断开状态，不起放大作用，呈高阻状态。严格地说截止区中发射结、集电结均处于反向偏置状态。

放大区

在iB>0,输出特性曲线近似平行横坐标的曲线族部分称为放大区，uCE在一定范围内变化时，iC的大小几乎不变，呈现恒流特性，但iC受iB的控制，满足△iC=β△iB的关系，β为三极管共发射极接法时的交流放大系数。此时集电结反偏，发射结正偏，三极管具有电流放大作用。

饱和区

在uCE较小，iC曲线密集且陡急上升的部分称为饱和区，由于iC很大，且不受iB控制，三极管的集电极和发射极之间电压很小，接近短路，相当于开关的接通状态，呈低阻状态。此时，集电结和发射结均为正向偏置。

综上所述，晶体三极管工作在放大区，表现恒流特性，并具有电流放大作用，广泛用于各种信号放大电路，而工作在饱和区或截止区，具有开关的性能，相当于开关通、断状态，广泛用于开关控制或数字电路。

晶体三极管的主要参数

由于三极管的参数很多，从选择和安全使用三极管的角度我们只介绍其中一些主要参数。

使用参数

②集电极一基极之间反向饱和电流ICBO

当发射极开路时，在电源EC作用下，集一基之间由少数载流子引起的反向电流，如图2.1.19所示，该电流受温度影响较大，硅三极管的ICBO比锗三极管要小许多。

集电极一发射极之间的反向饱和电流（穿透电流）ICEO

当基极开路时，在电源Ec作用下，集电极和发射极之间产生的穿透电流，如图2.1.20所示，满足关系式

ICEO为集电极电流Ic的一部分，受温度影响很大，使用三极管时希望ICEO越小越好。

极限参数

为保证长期安全使用晶体三极管，必须了解三极管的极限参数。

①集电极最大允许电流ICM

当IC增大到一定数值时β会下降，β下降到正常值的2/3时所对应的IC称为集电极最大允许电流，当集电极电流达到ICM时三极管集电结会产生热击穿而损坏。

②反向击穿电压U（BR）CEO

当基极开路时，集一射之间最大允许电压称为反向击穿电压U（BR）CEO,当集电极工作电压大于U（BR）CEO时，集电结产生热击穿而损坏，使用时取

③集电极最大允许耗散功率PCM

PCM为晶体三极管集电结上允许的最大功率损耗，一旦集电结产生的功耗使集电结温度升高，出

现热击穿时，三极管将损坏，对于大功率三极管应加装散热器及时散发热量，保证三极管的安全使

用，集电极耗散功率PC=ICUCE

由ICM、U（BR）CEO和PCM包围的范围称为晶体三极管的安全工作区，如图2.1.21所示。