半導體三極管的基本結構
三極管內部結構
半導體二極管內部只有一個PN結，若在半導體二極管P型半導體的旁邊，再加上一塊N型半導體如圖5-1（a）所示。由圖5-1（a）可見，這種結構的器件內部有兩個PN結，且N型半導體和P型半導體交錯排列形成三個區，分別稱為發射區，基區和集電區。從三個區引出的引腳分別稱為發射極，基極和集電極，用符號e、b、c來表示。處在發射區和基區交界處的PN結稱為發射結；處在基區和集電區交界處的PN結稱為集電結。具有這種結構特性的器件稱為三極管。
三極管通常也稱雙極型晶體管（BJT），簡稱晶體管或三極管。三極管在電路中常用字母T來表示。因三極管內部的兩個PN結相互影響，使三極管呈現出單個PN結所沒有的電流放大的功能，開拓了PN結應用的新領域，促進了電子技術的發展。
因圖5-1（a）所示三極管的三個區分別由NPN型半導體材料組成，所以，這種結構的三極管稱為NPN型三極管，圖5-1（b）是NPN型三極管的符號，符號中箭頭的指向表示發射結處在正向偏置時電流的流向。
根據同樣的原理，也可以組成PNP型三極管，圖5-2（a）、（b）分別為PNP型三極管的內部結構和符號。
由圖5-1和圖5-2可見，兩種類型三極管符號的差別僅在發射結箭頭的方向上，理解箭頭的指向是代表發射結處在正向偏置時電流的流向，有利于記憶NPN和PNP型三極管的符號，同時還可根據箭頭的方向來判別三極管的類型。
例如，當大家看到“（ NPN型三極管符號 ）”符號時，因為該符號的箭頭是由基極指向發射極的，說明當發射結處在正向偏置時，電流是由基極流向發射極。根據前面所討論的內容已知，當PN結處在正向偏置時，電流是由P型半導體流向N型半導體，由此可得，該三極管的基區是P型半導體，其它的兩個區都是N型半導體，所以該三極管為NPN型三極管。
晶體管除了PNP和NPN兩種類別的區分外，還有很多種類。根據三極管工作頻率的不同，可將三極管分為低頻管和高頻管；根據三極管消耗功率的不同，可將三極管分為小功率管、中功率管和大功率管等。常見三極管的外形如圖5-3所示。
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圖5-3（a）和圖5-3（b）都是小功率管，圖5-3（c）為中功率管，圖5-3（d）為大功率管。
三極管的電流放大作用
1、三極管內部PN結的結構
對模擬信號進行處理最基本的形式是放大。在生產實踐和科學實驗中，從傳感器獲得的模擬信號通常都很微弱，只有經過放大后才能進一步處理，或者使之具有足夠的能量來驅動執行機構，完成特定的工作。放大電路的核心器件是三極管，三極管的電流放大作用與三極管內部PN的特殊結構有關。
從圖5-1和5-2可見，三極管猶如兩個反向串聯的PN結，如果孤立地看待這兩個反向串聯的PN結，或將兩個普通二極管串聯起來組成三極管，是不可能具有電流的放大作用。具有電流放大作用的三極管，PN結內部結構的特殊性是：
（1）為了便于發射結發射電子，發射區半導體的摻雜溶度遠高于基區半導體的摻雜溶度，且發射結的面積較小。
（2）發射區和集電區雖為同一性質的摻雜半導體，但發射區的摻雜溶度要高于集電區的摻雜溶度，且集電結的面積要比發射結的面積大，便于收集電子。
（3）聯系發射結和集電結兩個PN結的基區非常薄，且摻雜溶度也很低。
上述的結構特點是三極管具有電流放大作用的內因。要使三極管具有電流的放大作用，除了三極管的內因外，還要有外部條件。三極管的發射極為正向偏置，集電結為反向偏置是三極管具有電流放大作用的外部條件。
放大器是一個有輸入和輸出端口的四端網絡，要將三極管的三個引腳接成四端網絡的電路，必須將三極管的一個腳當公共腳。取發射極當公共腳的放大器稱為共發射極放大器，基本共發射極放大器的電路如圖5-4所示。
圖5-4中的基極和發射極為輸入端，集電極和發射極為輸出端，發射極是該電路輸入和輸出的公共端，所以，該電路稱為共發射極電路。
圖5-4中的ui是要放大的輸入信號，uo是放大以后的輸出信號，VBB是基極電源，該電源的作用是使三極管的發射結處在正向偏置的狀態，VCC是集電極電源，該電源的作用是使三極管的集電結處在反向偏置的狀態，RC是集電極電阻。
2、共發射極電路三極管內部載流子的運動情況
共發射極電路三極管內部載流子運動情況的示意圖如圖5-5所示。圖5-5中載流子的運動規律可分為以下的幾個過程。
（1）發射區向基區發射電子的過程
發射結處在正向偏置，使發射區的多數載流子（自由電子）不斷的通過發射結擴散到基區，即向基區發射電子。與此同時，基區的空穴也會擴散到發射區，由于兩者摻雜溶度上的懸殊，形成發射極電流IE的載流子主要是電子，電流的方向與電子流的方向相反。發射區所發射的電子由電源EC的負極來補充。
（2）電子在基區中的擴散與復合的過程
擴散到基區的電子，將有一小部分與基區的空穴復合，同時基極電源EB不斷的向基區提供空穴，形成基極電流IB。由于基區摻雜的溶度很低，且很薄，在基區與空穴復合的電子很少，所以，基極電流IB也很小。擴散到基區的電子除了被基區復合掉的一小部分外，大量的電子將在慣性的作用下繼續向集電結擴散。
（3）集電結收集電子的過程
反向偏置的集電結在阻礙集電區向基區擴散電子的同時，空間電荷區將向基區延伸，因集電結的面積很大，延伸進基區的空間電荷區使基區的厚度進一步變薄，使發射極擴散來的電子更容易在慣性的作用下進入空間電荷區。集電結的空間電荷區，可將發射區擴散進空間電荷區的電子迅速推向集電極，相當于被集電極收集。集電極收集到的電子由集電極電源Ec吸收，形成集電極電流IC。
3、三極管的電流分配關系和電流放大系數
根據上面的分析和節點電流定律可得，三極管三個電極的電流IE、IB、IC之間的關系為：
IE=IB+IC （5-1）
三極管的特殊結構使IC大大于IB，令
β(非) =Ic/Ib （5-2）
稱為三極管的直流電流放大倍數。它是描述三極管基極電流對集電極電流控制能力大小的物理量，β非大的管子，基極電流對集電極電流控制的能力就大。 是由晶體管的結構來決定的，一個管子做成以后，該管子的 β非就確定了。
三極管的共射特性曲線
三極管的特性曲線是描述三極管各個電極之間電壓與電流關系的曲線，它們是三極管內部載流子運動規律在管子外部的表現。三極管的特性曲線反映了管子的技術性能，是分析放大電路技術指標的重要依據。三極管特性曲線可在晶體管圖示儀上直觀地顯示出來，也可從手冊上查到某一型號三極管的典型曲線。
三極管共發射極放大電路的特性曲線有輸入特性曲線和輸出特性曲線，下面以NPN型三極管為例，來討論三極管共射電路的特性曲線。
1、輸入特性曲線
輸入特性曲線是描述三極管在管壓降UCE保持不變的前提下，基極電流iB和發射結壓降uBE之間的函數關系，即
ib=f（ube）|uce=const （5-3）
三極管的輸入特性曲線如圖5-6所示。由圖5-6可見NPN型三極管共射極輸入持性曲線的特點是：
（1）在輸入特性曲線上也有一個開啟電壓，在開啟電壓內，uBE雖己大于零，但iB幾乎仍為零，只有當uBE的值大于開啟電壓后，iB的值與二極管一樣隨uBE的增加按指數規律增大。硅晶體管的開啟電壓約為0.5V，發射結導通電壓Von約為0.6～0.7V；鍺晶體管的開啟電壓約為0.2V，發射結導通電壓約為0.2～0.3V。
（2）三條曲線分別為UCE=0V，UCE=0.5V和UCE=1V的情況。當UCE=0V時，相當于集電極和發射極短路，即集電結和發射結并聯，輸入特性曲線和PN結的正向特性曲線相類似。當UCE=1V，集電結已處在反向偏置，管子工作在放大區，集電極收集基區擴散過來的電子，使在相同uBE值的情況下，流向基極的電流iB減小，輸入特性隨著UCE的增大而右移。當UCE>1V以后，輸入特性幾乎與UCE=1V時的特性曲線重合，這是因為Vcc＞lV后，集電極已將發射區發射過來的電子幾乎全部收集走，對基區電子與空穴的復合影響不大，iB的改變也不明顯。
因晶體管工作在放大狀態時，集電結要反偏，UCE必須大于l伏，所以，只要給出UCE=1V時的輸入特性就可以了。
2、輸出特性曲線
輸出特性曲線是描述三極管在輸入電流iB保持不變的前提下，集電極電流iC和管壓降uCE之間的函數關系，即
ic=f（uce）|ib=const（5-4）
三極管的輸出特性曲線如圖5-7所示。由圖5-7可見，當IB改變時，iC和uCE的關系是一組平行的曲線族，并有截止、放大、飽和三個工作區。
（1）截止區
IB=0持性曲線以下的區域稱為截止區。此時晶體管的集電結處于反偏，發射結電壓uBE＜0，也是處于反偏的狀態。由于iB＝0，在反向飽和電流可忽略的前提下，iC=βiB也等于0，晶體管無電流的放大作用。處在截止狀態下的三極管，發射極和集電結都是反偏，在電路中猶如一個斷開的開關。
實際的情況是：處在截止狀態下的三極管集電極有很小的電流ICE0，該電流稱為三極管的穿透電流，它是在基極開路時測得的集電極-發射極間的電流，不受iB的控制，但受溫度的影響。
（2）飽和區
在圖5-4的三極管放大電路中，集電極接有電阻RC，如果電源電壓VCC一定，當集電極電流iC增大時，uCE=VCC-iCRC將下降，對于硅管，當uCE 降低到小于0.7V時，集電結也進入正向偏置的狀態，集電極吸引電子的能力將下降，此時iB再增大，iC幾乎就不再增大了，三極管失去了電流放大作用，處于這種狀態下工作的三極管稱為飽和。
規定UCE＝UBE時的狀態為臨界飽和態，圖5-7中的虛線為臨界飽和線，在臨界飽和態下工作的三極管集電極電流和基極電流的關系為：
Ics=Vcc-Uces/Rc=β（非）Ibs（5-1-4）
式中的ICS，IBS，UCES分別為三極管處在臨界飽和態下的集電極電流、基極電流和管子兩端的電壓（飽和管壓降）。當管子兩端的電壓UCE＜UCES時，三極管將進入深度飽和的狀態，在深度飽和的狀態下，iC=βiB的關系不成立，三極管的發射結和集電結都處于正向偏置會導電的狀態下，在電路中猶如一個閉合的開關。
三極管截止和飽和的狀態與開關斷、通的特性很相似，數字電路中的各種開關電路就是利用三極管的這種特性來制作的。
（3）放大區
三極管輸出特性曲線飽和區和截止區之間的部分就是放大區。工作在放大區的三極管才具有電流的放大作用。此時三極管的發射結處在正偏，集電結處在反偏。由放大區的特性曲線可見，特性曲線非常平坦，當iB等量變化時，iC幾乎也按一定比例等距離平行變化。由于iC只受iB控制，幾乎與uCE的大小無關，說明處在放大狀態下的三極管相當于一個輸出電流受IB控制的受控電流源。
上述討論的是NPN型三極管的特性曲線，PNP型三極管特性曲線是一組與NPN型三極管特性曲線關于原點對稱的圖像
三極管的主要參數
三極管的主要參數有：
1、共射電流放大系數 β非和β
在共射極放大電路中，若交流輸入信號為零，則管子各極間的電壓和電流都是直流量，此時的集電極電流IC和基極電流IB的比就是β非 ，β非 稱為共射直流電流放大系數。
當共射極放大電路有交流信號輸入時，因交流信號的作用，必然會引起IB的變化，相應的也會引起IC的變化，兩電流變化量的比稱為共射交流電流放大系數β，即
β=△Ic/△Ib （5-6）
上述兩個電流放大系數 β非和β的含義雖然不同，但工作在輸出特性曲線放大區平坦部分的三極管，兩者的差異極小，可做近似相等處理，故在今后應用時，通常不加區分，直接互相替代使用。
由于制造工藝的分散性，同一型號三極管的β值差異較大。常用的小功率三極管，β值一般為20～100。β過小，管子的電流放大作用小，β過大，管子工作的穩定性差，一般選用β在40～80之間的管子較為合適。
2、極間反向飽和電流ICBO和ICEO
（1）集電結反向飽和電流ICBO是指發射極開路，集電結加反向電壓時測得的集電極電流。常溫下，硅管的ICBO在nA（10-9）的量級，通常可忽略。
（2）集電極-發射極反向電流ICEO是指基極開路時，集電極與發射極之間的反向電流，即穿透電流，穿透電流的大小受溫度的影響較大，穿透電流小的管子熱穩定性好。
3、極限參數
（1）集電極最大允許電流ICM
晶體管的集電極電流IC在相當大的范圍內β值基本保持不變，但當IC的數值大到一定程度時，電流放大系數β值將下降。使β明顯減少的IC即為ICM。為了使三極管在放大電路中能正常工作，IC不應超過ICM。
（2）集電極最大允許功耗PCM
晶體管工作時、集電極電流在集電結上將產生熱量，產生熱量所消耗的功率就是集電極的功耗PCM，即
PCM=ICUCE （5-7）
功耗與三極管的結溫有關，結溫又與環境溫度、管子是否有散熱器等條件相關。根據5-7式可在輸出特性曲線上作出三極管的允許功耗線，如圖5-8所示。功耗線的左下方為安全工作區，右上方為過損耗區。
手冊上給出的PCM值是在常溫下25℃時測得的。硅管集電結的上限溫度為150℃左右，鍺管為70℃左右，使用時應注意不要超過此值，否則管子將損壞。
（3）反向擊穿電壓UBR（CEO）
反向擊穿電壓UBR（CEO）是指基極開路時，加在集電極與發射極之間的最大允許電壓。使用中如果管子兩端的電壓UCE＞UBR（CEO），集電極電流IC將急劇增大，這種現象稱為擊穿。管子擊穿將造成三極管永久性的損壞。三極管電路在電源EC的值選得過大時，有可能會出現，當管子截止時，UCE＞UBR（CEO）導致三極管擊穿而損壞的現象。一般情況下，三極管電路的電源電壓EC應小于1/2 UBR（CEO）。
4、溫度對三極管參數的影響
幾乎所有的三極管參數都與溫度有關，因此不容忽視。溫度對下列的三個參數影響最大。
（1）對β的影響：
三極管的β隨溫度的升高將增大，溫度每上升l℃，β值約增大0.5～1％，其結果是在相同的IB情況下，集電極電流IC隨溫度上升而增大。
（2）對反向飽和電流ICEO的影響：
ICEO是由少數載流子漂移運動形成的，它與環境溫度關系很大，ICEO隨溫度上升會急劇增加。溫度上升10℃，ICEO將增加一倍。由于硅管的ICEO很小，所以，溫度對硅管ICEO的影響不大。
（3）對發射結電壓ube的影響：
和二極管的正向特性一樣，溫度上升1℃，ube將下降2～2.5mV。
綜上所述，隨著溫度的上升，β值將增大，iC也將增大，uCE將下降，這對三極管放大作用不利，使用中應采取相應的措施克服溫度的影響。
