5.4 半导体三极管
5.4 半导体三极管
半导体三极管简称三极管或晶体管，它是由两个PN结、3个电极组成的。这两个结靠得很近，工作相互联系、相互影响，表现出与两个单独的PN结完全不同的特性。与二极管相比，三极管的功能有质的飞跃，因此在电子线路中得到广泛的应用。如图5-18所示是几种常见的三极管。
（a） （b） （c） （d）
图5-18 几种半导体三极管
5.4.1 三极管的结构及类型
三极管是由两个PN结、3个杂质半导体区域组成的，因杂质半导体有P、N型两种，所以三极管的组成形式有NPN型和PNP型两种。结构和符号如图5-19所示。
（a）NPN （b）PNP
图5-19 三极管的结构示意图和符号
无论是NPN型或是PNP型的三极管，它们均包含3个区：发射区、基区和集电区，并相应地引出3个电极：发射极（e）、基极（b）和集电极（c）。同时，在三个区的两两交界处，形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗，因此共有4种三极管类型。它们对应的型号分别为：3A（锗PNP）、3B（锗NPN）、3C（硅PNP）、3D（硅NPN）。
5.4.2 三极管的放大作用
1．三极管中载流子的传输过程
下面以NPN型三极管为例说明内部载流子的传输过程。要使三极管正常工作，必须外加合适电压。发射结加上正向偏置UBB，一般小于1V。其次要保证注入到基区的电子经过基区后能传输到集电区，需要在集电结加上反向偏置UCC，一般为几伏至几十伏。在上述外加偏置下三板管内部载流子将发生如下的传输过程。
（1）发射区向基区扩散电子。发射结在正向偏置作用下，发射区的多数载流子电子源源不断地越过发射结扩散到基区。与此同时，基区空穴也扩散到发射区，但是由于基区杂质浓度比发射区杂质浓度低很多，所以空穴电流小得多，并且边扩散边被发射区电子复合。
（2）电子在基区内的扩散与复合。由发射区注入基区的电子，在基区靠近发射结的边界积累起来，在基区形成一定浓度梯度，靠近发射结附近电子浓度高，离发射结愈远浓度愈低。因此电子便向集电结方向扩散。扩散过程中，又会与基区中的空穴复合而消失。同时接在基区的电源UEE不断地从基区拉走电子。相当于不断供给基区空穴以形成电流，电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，因此基区空穴浓度基本不变，电流基本等于基极电流IB。
（3）集电区收集扩散电子。集电结加以反向偏置，使得集电结内电场增强，致使集电区多数载流子电子和基区多数载流子空穴很难通过集电结，即起到了阻挡作用。但是这个内电场对基区扩散到集电极边缘的电子有很强的吸引力，使电子进行快速漂移运动，经过集电结为集电区收集形成电流，其值基本等于集电极电流ＩC。如图5-20所示为三极管载流子的传输过程，图5-21为三极管中电流分配。
图5-20 三极管中载流子的传输过程 图5-21 三极管中电流分配
2．电流分配
集电极电流IC由两部分组成：ICn和ICBO，前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的，后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的，称为反向饱和电流。于是有
IC=ICn+ICBO
发射极电流IE也由两部分组成：IEn和IEp。IEn为发射区发射的电子所形成的电流，IEp是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂，所以IEp忽略不计，即IE≈IEn。IEn又分成两部分，主要部分是ICn，极少部分是IBn。IBn是电子在基区与空穴复合时所形成的电流，基区空穴是由电源UBB提供的，故它是基极电流的一部分。即
（5.4.1）
（5.4.2）
发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极，形成集电极电流，即要求ICn>>IBn。通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系，用
来表示，其定义为
（5.4.3）
一般三极管的
值为0.97～0.99。可得
（5.4.4）
通常IC>>ICBO，可将ICBO忽略，由上式可得出
（5.4.5）
三极管的3个极的电流满足节点电流定律，即
（5.4.6）
则
（5.4.7）
经过整理后得
（5.4.8）
令
（5.4.9）
称为共发射极直流电流放大系数。当IC>>ICBO时，
又可写成
（5.4.10）
则
（5.4.11）
其中ICEO称为穿透电流，即
（5.4.12）
一般三极管的
为几十到几百。
太小，管子的放大能力就差，而
过大则管子不够稳定。表5-1为三极管电流关系的一组典型数据。
表5-1 三极管电流关系的一组典型数据
|
IB/mA |
-0.001 |
0 |
0.01 |
0.02 |
0.03 |
0.04 |
0.05 |
|
IC/mA |
0.001 |
0.01 |
0.56 |
1.14 |
1.74 |
2.33 |
2.91 |
|
IE/mA |
0 |
0.01 |
0.57 |
1.16 |
1.77 |
2.37 |
2.96 |
由表中数据，令
（5.4.13）
相应地，将集电极电流与发射极电流的变化量之比，定义为共基极交流电流放大系数，即
（5.4.14）
故
（5.4.15）
显然
与
，
与
其意义是不同的，但是在多数情况下
，
。
例如，从表5-1知，在IB=0.03mA附近，设IB由0.02mA变为0.04mA，可求得
可见三极管具有电流放大的作用。
3．三极管的3种连接方式
三极管是电流放大器件，内部具有两种载流子，又称为双极型器件。用它组成四端网络时由于所用公共端不同，可以将三极管组成共发射极、共集电极、共基极3种组态电路，如图5-22所示。3种组态下三极管的工作原理是相同的。上面的实验电路及分析载流子运动规律的电路都是采用共发射极电路。
（a）共发射极 （b）共集电极 （c）共基极
图5-22 三极管的3种连接方式
5.4.3 三极管的特性曲线
三极管特性曲线用于表示三极管各电极之间的电压与各电极间的电流关系。它描述三极管的外部特性，是分析三极管所组成的各种电路的重要依据。三极管特性曲线相似，但是不同数据相差很大，使用时可查阅有关半导体器件手册或用三极管图示仪查看，也可以通过实验测绘。下面介绍其发射极接法特性曲线。如图5-23所示为三极管共发射极特性曲线测试电路。
图5-23 三极管共发射极特性曲线测试电路
1．输入特性曲线
输入特性曲线是集电极与发射极之间的电压UCE为常数时，输入回路中加在三极管基极与发射极之间的电压UBE与基极电流IB之间的关系曲线。其函数关系为
（5.4.16）
|
图5-24 三极管输入特性曲线 |
由图5-24可见，三极管有两条特性曲线，随UCE的增大，曲线向右移动，当UCE＞1V时，特性曲线基本上重合。以图5-24为例说明其原因。即当UCE=2V时，集电结加以反偏，使得集电结吸引电子能力加强，致使从发射区进入基区的电子更多地吸入集电区，流向基极的电流IB比UCE=0V时减小了，因此曲线向右移动一段距离。
2．输出特性曲线
当IB不变时，输出回路中的电流IC与电压UCE之间的关系曲线称为输出特性，即
（5.4.17）
（1）截止区。一般将IB=0的区域称为截止区，在图5-25中为IB=0的一条曲线的以下部分。此时IC也近似为零。由于各极电流都基本上等于零，因而此时三极管没有放大作用。
其实IB=0时，IC并不等于零，而是等于穿透电流ICEO。
一般硅三极管的穿透电流小于1μA，在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流为几十至几百微安。
图5-25 三极管输出特性曲线
当发射结反向偏置时，发射区不再向基区注入电子，则三极管处于截止状态。所以在截止区，三极管的两个结均处于反向偏置状态。对NPN三极管，UBE＜0，UBC＜0。
（2）放大区。此时发射结正向运用，集电结反向运用。在曲线上是比较平坦的部分，表示当IB一定时，IC的值基本上不随UCE而变化。在这个区域内，当基极电流发生微小的变化量ΔIB时，相应的集电极电流将产生较大的变化量ΔIC，此时二者的关系为
ΔIC=βΔIB
该式体现了三极管的电流放大作用。对于NPN三极管，工作在放大区时UBE=0.7V，而UBC＜0。
（3）饱和区。曲线靠近纵轴附近，各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。在这个区域，不同IB值的各条特性曲线几乎重叠在一起，即当UCE较小时，管子的集电极电流IC基本上不随基极电流IB而变化，这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用，IC=βIB或ΔIC=βΔIB的关系不成立。
一般认为UCE=UBE，即UCB=0时，三极管处于临界饱和状态，当UCE＜UBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用UCES表示。在深度饱和时，小功率管管压降通常小于0.3V。
三极管工作在饱和区时，发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN三极管，UBE＞0，UBC＞0。
5.4.4 三极管的主要参数
1．电流放大系数
（1）共发射极交流电流放大系数β。β体现共射极接法之下的电流放大作用。
（5.4.18）
（2）共发射极直流电流放大系数
。
（5.4.19）
当IC>>ICEO时，β≈IC/IB。
（3）共基极交流电流放大系数α。α体现共基极接法下的电流放大作用。
（5.4.20）
（4）共基极直流电流放大系数
。在忽略反向饱和电流ICBO时，
（5.4.21）
2．极间反向电流ICBO、ICEO
|
（a）ICBO （b）ICEO 图5-26 三极管极间反向电流的测量 |
这种反向电流是由少数载流子做漂移运动形成的，由于它是不随外加反向电压变化的常数，所以称为反向饱和电流。温度一定时ICBO较小，小功率管的ICBO为1μA以下，ICBO越小越好。
因为ICBO随温度的增加而增加，所以若工作于温度变化较大的环境中，则选择硅管。因为其ICBO较锗管小。
（2）集电极-发射极反向饱和电流ICEO。集电板-发射极反向饱和电流ICEO是当IB=0即基极开路，集电结加以反向偏置及发射结加以正向偏置时的集电极电流。由于ICEO从集电极直接穿透三极管而到达发射极，所以也称为穿透电流，如图5-26（b）所示。
3．三极管的极限参数
（1）集电极最大允许电流ICM。
集电极最大允许电流ICM是当集电极电流IC超过一定值时，三极管的电流放大系数b值下降，当其下降到正常值的2/3时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。
（2）集电极最大允许功率损耗PCM。当三极管工作时，管子两端电压为UCE，集电极电流为IC，因此集电极损耗的功率为
（5.4.22）
PCM值与环境温度有关，温度愈高，PCM值愈小。硅管结温为150℃，锗管结温约为70℃。其安全工作区示意图如图5-27所示。
图5-27 三极管安全工作区
4．反向击穿电压
BUCBO——发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。
BUCEO——基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。
BUCER——基射极间接有电阻R时，集电极-发射极间的反向击穿电压。
BUCES——基射极间短路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。
BUEBO——集电极开路时，发射极-基极间的反向击穿电压，此电压一般较小，有几伏左右。
上述电压一般存在如下关系
（5.4.23）
5．温度对三极管参数的影响
（1）温度对UBE的影响。
（5.4.24）
（2）温度对ICBO的影响。ICBO是由少数载流子形成的。当温度上升时，少数载流子增加，故ICBO也上升。其变化规律是，温度每上升10℃，ICBO约上升一倍。ICEO随温度变化规律大致与ICBO相同。在输出特性曲线上，温度上升，曲线上移。
（3）温度对β的影响。β随温度升高而增大，变化规律是：温度每升高1℃，β值增大0.5%～1%。在输出特性曲线图上，曲线间的距离随温度升高而增大。
综上所述：温度对UBE、ICBO、β的影响，均将使IC随温度上升而增加，这将严重影响三极管的工作状态。