基礎元件介紹——晶體三極管

晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上製作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區，兩側部分是發射區和集電區，排列方式有PNP和NPN兩種。從外表上看兩個N區（或兩個P區）是對稱的，實際上發射區的摻雜濃度大，集電區摻雜濃度低，且集電結面積大，基區要製造得很薄，厚度約在幾個微米至幾十個微米。如圖1從三個區引出相應的電極，分別為基極b發射極e和集電極c。

發射區和基區之間的PN結叫發射結，集電區和基區之間的PN結叫集電結。PNP型三極管發射區“發射”的是空穴，移動方向與電流方向一致，故發射極箭頭向裡；NPN型三極管發射區“發射”的是自由電子，移動方向與電流方向相反，故發射極箭頭向外。發射極箭頭指向也是PN結在正向電壓下的導通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管均有PNP型和NPN型兩種類型（圖2）。

最初的三極管是由鍺（半導體）做成的。但是，鍺具有在80℃左右時發生損壞的缺點，因此現在的三極管幾乎都使用硅，硅可以耐受180℃左右的高溫。

圖1 NPN型晶體三極管結構示意圖

圖2 晶體三極管有PNP型和NPN型兩種類型

三極管產品類別

晶體管的分類方法有多種。按形狀劃分，功率及安裝形態決定了晶體管的外形大小和形狀，可分為引腳型和表面安裝型；按功率分類，主要以最大額定值的集電極功率Pc進行區分，分為小信號晶體管和功率晶體管，一般功率晶體管的功率超過1W；根據工作原理不同晶體管又分為雙極晶體管和單極晶體管（如圖3）。雙極晶體管的“雙”是指Bi（2個）、“極”是指Polar（極性）。雙極晶體管即流經構成晶體管的半導體的電流由空穴（正極性）和電子（負極性）產生。一般而言的晶體管是指這種由硅構成的晶體管。

圖3 按工作原理劃分晶體管

FET（Field Effect Transistor）指場效應晶體管，又包括接合型FET、MOS型FET以及GaAs型三種。接合型FET多用於音頻設備等的模擬電路中，MOS型FET主要用於微控制器等數字IC，GaAs型用於衛星廣播信號接收等的微波增幅。

MOS（Metal Oxide SemicONductor）因其構造分別是金屬（Metal）、硅酸化膜（Oxide）、半導體（SemicONductor），故稱MOS。MOS還分為P型、N型、C型，因為消費電流小，用於微控制器等集成度高的IC。

三極管的封裝形式和管腳識別

常用三極管的封裝形式有金屬封裝和塑料封裝兩大類，引腳的排列方式具有一定的規律，如圖4對於小功率金屬封裝三極管（如TO18、TO39封裝），按圖示底視圖位置放置，使三個引腳構成等腰三角形的頂點上，從左向右依次為e b c；對於中小功率塑料三極管（如TO92封裝），按圖使其平面朝向自己，三個引腳從左到右依次為e c b、e b c和c b e三種封裝。功率三極管的封裝形式如圖中TO220、TO3所示，其中TO3的金屬外殼為三極管的C極。

目前，三極管的種類眾多，管腳的排列也不盡相同，在使用中無法確定管腳的排列時，必須進行測量以確定各管腳的位置，或查找晶體管使用手冊。

圖4 三極管封裝形式及引腳排列

三極管的工作原理

晶體三極管有三種工作狀態，分別為截止狀態、放大狀態和飽和導通狀態。

截止狀態：當加在三極管發射結的電壓小於PN結的導通電壓，基極電流為零，集電極電流和發射極電流都為零，這時三極管失去電流放大作用，集電極和發射極之間相當於開關的斷開狀態，此時的三極管處於截止狀態。

放大狀態：當加在三極管發射結的電壓大於PN結的導通電壓並處於某一恰當的值時，三極管的發射結正向偏置，集電結反向偏置，這時基極電流對集電極電流起控制作用，使得三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數β＝ΔIc/ΔIb，三極管處於放大狀態。

晶體三極管具有電流放大作用，其實質是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量，這是三極管最基本也是最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數，用符號“β”表示。電流放大倍數對於一隻三極管來說是一個定值，但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。下面通過圖5的A和B對晶體管的增幅原理作進一步詳盡的說明。

與輸入電壓e和偏壓E1構成的基極-發射極間電壓（VBE）成比例的電流（IB）的hFE（晶體管的直流電流增幅率）倍的電流（IC）流經集電極，這一集電極電流IC流經電阻RL，從而IC×RL的電壓反映在電阻RL兩端。最終，輸入電壓e被轉換（增幅）成ICRL電壓反映在輸出上。

圖5 三極管放大原理說明

飽和導通狀態：當加在三極管發射結的電壓大於PN結的導通電壓，並當基極電流增大到一定程度時，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處於某一定值附近不再變化，這時的三極管失去電流放大作用，集電極與發射極之間的電壓很小，集電極和發射極之間相當於開關的導通狀態，這種狀態我們稱之為三極管的飽和導通狀態。

三極管的特性曲線

三極管外部各極電壓和電流的關係曲線，稱為三極管的特性曲線，又稱伏安特性曲線，用來描述三極管各端電流與兩個PN結外加電壓之間的關係，可直觀、全面地反映三極管的電氣性能的外部特性。

由於三極管為三端器件，在電路中要構成四端網絡，它的每對端子均有兩個變量（端口電壓和電流），因此要在平面座標上表示三極管的伏安特性，就必須採用兩組曲線簇，最常採用的是輸入特性曲線簇和輸出特性曲線簇。它們不僅能反映三極管的質量與特性，還能用來定量地估算出三極管的某些參數，是分析和設計三極管電路的重要依據。

三極管的連接方式不同，對應的特性曲線也不同。應用最廣泛的是共發射極電路，基本測試電路如圖6所示。共發射極特性曲線可以用描點法繪出，也可以由晶體管特性圖示儀直接顯示出來。

圖6 三極管特性曲線測試電路

1、輸入特性曲線

在三極管共射極連接的情況下，當集電極與發射極之間的電壓UBE 維持不同的定值時，

UBE和IB之間的一簇關係曲線，稱為共射極輸入特性曲線，如圖7所示。

圖7 三極管輸入特性曲線

UCE≥1V，即給集電結加上固定的反向電壓，集電結的吸引力加強，使得從發射區進入基區的電子絕大部分流向集電極形成Ic。同時，在相同的UBE值條件下，流向基極的電流IB減小，即特性曲線右移。總之，三極管的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似，因為b、e間是正向偏置的PN結（放大模式下）

2、輸出特性曲線

輸出特性通常是指在一定的基極電流IB控制下，三極管的集電極與發射極之間的電壓UCE同集電極電流Ic的關係。共射輸出特性曲線表示以IB為參變量時，Ic和UCE間的關係為：Ic= f（UCE）/IB = 常數。在輸出特性曲線上，曲線間的距離隨溫度升高而增大。

實測的輸出特性曲線如圖8所示：根據外加電壓的不同，整個曲線可劃分為四個區： 放大區、截止區、飽和區、擊穿區。

圖8 三極管輸出特性曲線

（1）截止區： IB=0的那條特性曲線以下的區域（圖中藍色區域）。在此區域裡，三極管的發射結和集電結都處於反向偏置狀態，三極管失去了放大作用，集電極只有微小的穿透電流ICEO。

（2）飽和區：圖中綠色區域。在此區域內，對應不同IB值的輸出特性曲線簇幾乎重合在一起。意味著當UCE較小時，Ic變化較小，即IB失去了對Ic的控制能力，三極管處於飽和狀態。此時，三極管的發射結和集電結都處於正向偏置狀態，即：UCE< UBE，IB> IC，UCE≈0.3V

一般規定：當 UCE=UBE時的狀態為臨界飽和（VCB=0）；當 UCE＜UBE 時的狀態為過飽和。飽和時的UCE用UCES表示，三極管深度飽和時UCES很小，一般小功率管的UCES＜ 0.3V，鍺管的UCES＜ 0.1V，比硅管還要小。

（3）放大區：在截止區以上，介於飽和區與擊穿區之間的區域為放大區。在此區域內，特性曲線近似於一簇平行等距的水平線，Ic的變化與IB基本保持線性關係，即IC=bIB , 且 DIC = b D IB ，三極管具有電流放大作用。此外，集電極電壓對集電極電流的控制作用也很弱，當UCE＞1 V後，即使再增加UCE，Ic 也幾乎不再增加，此時，若IB 不變，則三極管可以被看作一個恆流源。在放大區，三極管的發射結處於正向偏置，集電結處於反向偏置狀態。

（4）擊穿區：隨著UCE增大，反向偏置電壓UCB相應增大。當UCE增大到一定值時，集電結就會發生反向擊穿，造成集電極電流Ic劇增，這一特性表現在輸出特性圖上則為擊穿區域。

造成擊穿的原因是由於集電結是輕摻雜的，產生的反向擊穿主要是雪崩擊穿，擊穿電壓較大。除此之外，在基區寬度很小的三極管中，還會發生特有的穿通擊穿，即：當UCE增大時，UCB相應增大，導致集電結的阻擋層寬度增寬，直到集電結與發射結相遇，基區消失，這時發射區的電子將直接受集電結電場的作用，引起集電極電流迅速增大，呈現類似擊穿的現象。

三極管的主要參數

三極管的參數是用來表徵其各方面性能及其運用範圍的指標，可以作為電路設計、調整和使用時的參考。主要參數有：

1、 電流放大係數

在討論大幅度信號變化或涉及直流量時使用的直流放大係數：

在討論小信號的變化量時使用的交流放大係數：

當

基本不變（或在IE的一個相當大的範圍內）時，

2、極間反向電流

表達式：ICEO= （1+β） ICBO

其中： ICBO指發射極開路時，集電極與基極間的反向飽和電流，ICEO指基極開路時，集電極與發射極間的穿透電流。

3、特徵頻率fT

fT是反映晶體管中兩個PN結電容的影響的參數。當輸入信號的頻率增高到一定值後，結電容將起到明顯的作用，使β下降，因此，fT是指使β下降到1時輸入信號的頻率。

4、極限參數

（1）集電極最大允許電流ICM：

Ic在一個很大範圍內β值基本不變，當Ic超過一定數值後，β值明顯下降，該值為ICM。

（2）集電極反向擊穿電壓U（BR）EBO、U（BR）CBO、U（BR）CEO、U（BR）EBO：集電極開路時，射一基極間的反向擊穿電壓，這是發射結允許的最高反向電壓，一般為1伏～幾伏。

U（BR）CBO：發射極開路時，集—基極間的反向擊穿電壓，即集電結所允許的最高反向電壓，一般為幾十伏～幾千伏。

U（BR）CEO：基極開路時，集—射極間的反向擊穿電壓。一般U（BR）CBO> U（BR）CEO。

（3）集電極最大允許功率損耗PCM：PCM= Ic·UCE

PCM與三極管允許的溫升有關，三極管在使用時的功耗不能超過PCM，一般硅管約為150℃，鍺管為70℃即為上限溫度。

三極管的工作特點及應用

1.為了保證在放大模式信號時不產生明顯的失真，三極管應該工作在輸入特性的線性部分，而且始終工作在輸出特性的放大區，任何時候都不能工作在截止區和飽和區。

2.為了保證三極管工作在放大區，在組成放大電路時，外加的電源極性應使三極管的發射結處於正向偏置狀態，集電結處於反向偏置狀態。

3. 當三極管工作在放大區時，由於其輸入輸出特性並不完全理想（表現為曲線而非直線），因此，放大後的波形仍有一定程度的非線性失真。

4.三極管是一個非線性元件，各項參數（如β、rbe等）均不為常數，在分析三極管組成的放大電路時，不能簡單地採用線性電路的分析方法。放大電路的基本分析方法一般採用圖解法和微變等效電路（小信號電路分析）法。

作為三端器件的晶體三極管是伏安特性為非線性的有源器件，工作在放大區時具有正向受控作用，等效為一個受控電流源，而工作在飽和區和截止區時具有可控開關特性。這種非線性和可控性（正向受控和可控開關）是實現眾多電路功能的基礎，或者說，眾多的應用電路都是以三極管為核心，配以合適的外圍電路組成的。利用三極管組成的電路可以有：放大電路、電流源、跨導線性電路、有源電阻、可控開關等。

三極管的開關特性在數字電路中應用廣泛，是數字電路中最基本的開關元件，通常不是工作在飽和區就是工作在截止區，而放大區只是出現在三極管由飽和區變為截止或由截止變為飽和的過渡過程中，是瞬間即逝的。因此，對開關管我們要特別注意其開關條件和它在開關狀態下的工作特點。

1948年，晶體管的發明給當時的電子工業界帶來了前所未有的衝擊，成為了今日電子時代的開端。之後以計算機為代表的電子技術取得飛速發展，三極管不僅在計算機、手機和消費電子產品中得到了廣泛應用，還被廣泛用於汽車、航空、家用電器、醫療設備以及數千種日用設備的電子控制中。按照摩爾定律的描述，晶體管密度大約每兩年便會增加一倍，同時其功能和性能將提高，而成本則會降低。

40多年以來，摩爾定律已經成為半導體行業的基本商業模式。今年，英特爾宣佈公司在晶體管發展上又取得了革命性的突破，將推出被稱為三柵極（Tri-Gate）的3-D晶體管設計，預示著微處理器技術和產品將隨之出現前所未有的變革。我們有理由相信今後的發明恐怕都難以與晶體三極管的發明相提並論，晶體三極管為現代社會的發展帶來了巨大的影響。