半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)

三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體二極管內(nèi)部只有一個PN結(jié)，若在半導(dǎo)體二極管P型半導(dǎo)體的旁邊，再加上一塊N型半導(dǎo)體如圖5-1（a）所示。由圖5-1（a）可見，這種結(jié)構(gòu)的器件內(nèi)部有兩個PN結(jié)，且N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體交錯排列形成三個區(qū)，分別稱為發(fā)射區(qū)，基區(qū)和集電區(qū)。從三個區(qū)引出的引腳分別稱為發(fā)射極，基極和集電極，用符號e、b、c來表示。處在發(fā)射區(qū)和基區(qū)交界處的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)；處在基區(qū)和集電區(qū)交界處的PN結(jié)稱為集電結(jié)。具有這種結(jié)構(gòu)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(nèi)部的兩個PN結(jié)相互影響，使三極管呈現(xiàn)出單個PN結(jié)所沒有的電流放大的功能，開拓了PN結(jié)應(yīng)用的新領(lǐng)域，促進(jìn)了電子技術(shù)的發(fā)展。

因圖5-1（a）所示三極管的三個區(qū)分別由NPN型半導(dǎo)體材料組成，所以，這種結(jié)構(gòu)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(fā)射結(jié)處在正向偏置時電流的流向。

根據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(fā)射結(jié)箭頭的方向上，理解箭頭的指向是代表發(fā)射結(jié)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(jù)箭頭的方向來判別三極管的類型。

例如，當(dāng)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(fā)射極的，說明當(dāng)發(fā)射結(jié)處在正向偏置時，電流是由基極流向發(fā)射極。根據(jù)前面所討論的內(nèi)容已知，當(dāng)PN結(jié)處在正向偏置時，電流是由P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體，由此可得，該三極管的基區(qū)是P型半導(dǎo)體，其它的兩個區(qū)都是N型半導(dǎo)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(qū)分外，還有很多種類。根據(jù)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(jù)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。

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(nèi)部PN結(jié)的結(jié)構(gòu)

對模擬信號進(jìn)行處理最基本的形式是放大。在生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗中，從傳感器獲得的模擬信號通常都很微弱，只有經(jīng)過放大后才能進(jìn)一步處理，或者使之具有足夠的能量來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，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(nèi)部PN的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。

 從圖5-1和5-2可見，三極管猶如兩個反向串聯(lián)的PN結(jié)，如果孤立地看待這兩個反向串聯(lián)的PN結(jié)，或?qū)蓚€普通二極管串聯(lián)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(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性是：

（1）為了便于發(fā)射結(jié)發(fā)射電子，發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體的摻雜溶度遠(yuǎn)高于基區(qū)半導(dǎo)體的摻雜溶度，且發(fā)射結(jié)的面積較小。

（2）發(fā)射區(qū)和集電區(qū)雖為同一性質(zhì)的摻雜半導(dǎo)體，但發(fā)射區(qū)的摻雜溶度要高于集電區(qū)的摻雜溶度，且集電結(jié)的面積要比發(fā)射結(jié)的面積大，便于收集電子。

（3）聯(lián)系發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個PN結(jié)的基區(qū)非常薄，且摻雜溶度也很低。

上述的結(jié)構(gòu)特點是三極管具有電流放大作用的內(nèi)因。要使三極管具有電流的放大作用，除了三極管的內(nèi)因外，還要有外部條件。三極管的發(fā)射極為正向偏置，集電結(jié)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(wǎng)絡(luò)，要將三極管的三個引腳接成四端網(wǎng)絡(luò)的電路，必須將三極管的一個腳當(dāng)公共腳。取發(fā)射極當(dāng)公共腳的放大器稱為共發(fā)射極放大器，基本共發(fā)射極放大器的電路如圖5-4所示。

圖5-4中的基極和發(fā)射極為輸入端，集電極和發(fā)射極為輸出端，發(fā)射極是該電路輸入和輸出的公共端，所以，該電路稱為共發(fā)射極電路。

圖5-4中的u_i是要放大的輸入信號，u_o是放大以后的輸出信號，V_BB是基極電源，該電源的作用是使三極管的發(fā)射結(jié)處在正向偏置的狀態(tài)，V_CC是集電極電源，該電源的作用是使三極管的集電結(jié)處在反向偏置的狀態(tài)，R_C是集電極電阻。

2、共發(fā)射極電路三極管內(nèi)部載流子的運動情況

共發(fā)射極電路三極管內(nèi)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(guī)律可分為以下的幾個過程。

（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子的過程

發(fā)射結(jié)處在正向偏置，使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷的通過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū)，即向基區(qū)發(fā)射電子。與此同時，基區(qū)的空穴也會擴散到發(fā)射區(qū)，由于兩者摻雜溶度上的懸殊，形成發(fā)射極電流I_E的載流子主要是電子，電流的方向與電子流的方向相反。發(fā)射區(qū)所發(fā)射的電子由電源E_C的負(fù)極來補充。

（2）電子在基區(qū)中的擴散與復(fù)合的過程

擴散到基區(qū)的電子，將有一小部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，同時基極電源E_B不斷的向基區(qū)提供空穴，形成基極電流I_B。由于基區(qū)摻雜的溶度很低，且很薄，在基區(qū)與空穴復(fù)合的電子很少，所以，基極電流I_B也很小。擴散到基區(qū)的電子除了被基區(qū)復(fù)合掉的一小部分外，大量的電子將在慣性的作用下繼續(xù)向集電結(jié)擴散。

（3）集電結(jié)收集電子的過程

反向偏置的集電結(jié)在阻礙集電區(qū)向基區(qū)擴散電子的同時，空間電荷區(qū)將向基區(qū)延伸，因集電結(jié)的面積很大，延伸進(jìn)基區(qū)的空間電荷區(qū)使基區(qū)的厚度進(jìn)一步變薄，使發(fā)射極擴散來的電子更容易在慣性的作用下進(jìn)入空間電荷區(qū)。集電結(jié)的空間電荷區(qū)，可將發(fā)射區(qū)擴散進(jìn)空間電荷區(qū)的電子迅速推向集電極，相當(dāng)于被集電極收集。集電極收集到的電子由集電極電源E_c吸收，形成集電極電流I_C。

3、三極管的電流分配關(guān)系和電流放大系數(shù)

根據(jù)上面的分析和節(jié)點電流定律可得，三極管三個電極的電流I_E、I_B、I_C之間的關(guān)系為：

I_E=I_B+I_C          （5-1）

三極管的特殊結(jié)構(gòu)使I_C大大于I_B，令

β(非) =Ic/Ib        （5-2）

稱為三極管的直流電流放大倍數(shù)。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(jié)構(gòu)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(guān)系的曲線，它們是三極管內(nèi)部載流子運動規(guī)律在管子外部的表現(xiàn)。三極管的特性曲線反映了管子的技術(shù)性能，是分析放大電路技術(shù)指標(biāo)的重要依據(jù)。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(fā)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U_CE保持不變的前提下，基極電流i_B和發(fā)射結(jié)壓降u_BE之間的函數(shù)關(guān)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(nèi)，u_BE雖己大于零，但i_B幾乎仍為零，只有當(dāng)u_BE的值大于開啟電壓后，i_B的值與二極管一樣隨u_BE的增加按指數(shù)規(guī)律增大。硅晶體管的開啟電壓約為0.5V，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓V_on約為0.6～0.7V；鍺晶體管的開啟電壓約為0.2V，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓約為0.2～0.3V。

（2）三條曲線分別為U_CE=0V，U_CE=0.5V和U_CE=1V的情況。當(dāng)U_CE=0V時，相當(dāng)于集電極和發(fā)射極短路，即集電結(jié)和發(fā)射結(jié)并聯(lián)，輸入特性曲線和PN結(jié)的正向特性曲線相類似。當(dāng)U_CE=1V，集電結(jié)已處在反向偏置，管子工作在放大區(qū)，集電極收集基區(qū)擴散過來的電子，使在相同u_BE值的情況下，流向基極的電流i_B減小，輸入特性隨著U_CE的增大而右移。當(dāng)U_CE>1V以后，輸入特性幾乎與U_CE=1V時的特性曲線重合，這是因為Vcc＞lV后，集電極已將發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的電子幾乎全部收集走，對基區(qū)電子與空穴的復(fù)合影響不大，i_B的改變也不明顯。

因晶體管工作在放大狀態(tài)時，集電結(jié)要反偏，U_CE必須大于l伏，所以，只要給出U_CE=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i_B保持不變的前提下，集電極電流i_C和管壓降u_CE之間的函數(shù)關(guān)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(dāng)I_B改變時，i_C和u_CE的關(guān)系是一組平行的曲線族，并有截止、放大、飽和三個工作區(qū)。

（1）截止區(qū)

I_B=0持性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。此時晶體管的集電結(jié)處于反偏，發(fā)射結(jié)電壓u_BE＜0，也是處于反偏的狀態(tài)。由于i_B＝0，在反向飽和電流可忽略的前提下，i_C=βi_B也等于0，晶體管無電流的放大作用。處在截止?fàn)顟B(tài)下的三極管，發(fā)射極和集電結(jié)都是反偏，在電路中猶如一個斷開的開關(guān)。

實際的情況是：處在截止?fàn)顟B(tài)下的三極管集電極有很小的電流I_CE0，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(fā)射極間的電流，不受i_B的控制，但受溫度的影響。

（2）飽和區(qū)

在圖5-4的三極管放大電路中，集電極接有電阻R_C，如果電源電壓V_CC一定，當(dāng)集電極電流i_C增大時，u_CE=V_CC-i_CR_C將下降，對于硅管，當(dāng)u_CE 降低到小于0.7V時，集電結(jié)也進(jìn)入正向偏置的狀態(tài)，集電極吸引電子的能力將下降，此時i_B再增大，i_C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(tài)下工作的三極管稱為飽和。

規(guī)定U_CE＝U_BE時的狀態(tài)為臨界飽和態(tài)，圖5-7中的虛線為臨界飽和線，在臨界飽和態(tài)下工作的三極管集電極電流和基極電流的關(guān)系為： 

         Ics=Vcc-Uces/Rc=β（非）Ibs（5-1-4）

式中的I_CS，I_BS，U_CES分別為三極管處在臨界飽和態(tài)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(dāng)管子兩端的電壓U_CE＜U_CES時，三極管將進(jìn)入深度飽和的狀態(tài)，在深度飽和的狀態(tài)下，i_C=βi_B的關(guān)系不成立，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置會導(dǎo)電的狀態(tài)下，在電路中猶如一個閉合的開關(guān)。

三極管截止和飽和的狀態(tài)與開關(guān)斷、通的特性很相似，數(shù)字電路中的各種開關(guān)電路就是利用三極管的這種特性來制作的。

（3）放大區(qū)

三極管輸出特性曲線飽和區(qū)和截止區(qū)之間的部分就是放大區(qū)。工作在放大區(qū)的三極管才具有電流的放大作用。此時三極管的發(fā)射結(jié)處在正偏，集電結(jié)處在反偏。由放大區(qū)的特性曲線可見，特性曲線非常平坦，當(dāng)i_B等量變化時，i_C幾乎也按一定比例等距離平行變化。由于i_C只受i_B控制，幾乎與u_CE的大小無關(guān)，說明處在放大狀態(tài)下的三極管相當(dāng)于一個輸出電流受I_B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(guān)于原點對稱的圖像

三極管的主要參數(shù)

三極管的主要參數(shù)有：

1、共射電流放大系數(shù) 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I_C和基極電流I_B的比就是β非 ，β非 稱為共射直流電流放大系數(shù)。

當(dāng)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I_B的變化，相應(yīng)的也會引起I_C的變化，兩電流變化量的比稱為共射交流電流放大系數(shù)β，即

    β=△Ic/△Ib       （5-6）

上述兩個電流放大系數(shù) β非和β的含義雖然不同，但工作在輸出特性曲線放大區(qū)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(yīng)用時，通常不加區(qū)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(wěn)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I_CBO和I_CEO

    （1）集電結(jié)反向飽和電流I_CBO是指發(fā)射極開路，集電結(jié)加反向電壓時測得的集電極電流。常溫下，硅管的I_CBO在nA（10^-9）的量級，通?？珊雎浴?

 （2）集電極-發(fā)射極反向電流I_CEO是指基極開路時，集電極與發(fā)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(wěn)定性好。

3、極限參數(shù)

（1）集電極最大允許電流I_CM

晶體管的集電極電流I_C在相當(dāng)大的范圍內(nèi)β值基本保持不變，但當(dāng)I_C的數(shù)值大到一定程度時，電流放大系數(shù)β值將下降。使β明顯減少的I_C即為I_CM。為了使三極管在放大電路中能正常工作，I_C不應(yīng)超過I_CM。

（2）集電極最大允許功耗P_CM

晶體管工作時、集電極電流在集電結(jié)上將產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生熱量所消耗的功率就是集電極的功耗P_CM，即

P_CM=I_CU_CE                 （5-7）

功耗與三極管的結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫又與環(huán)境溫度、管子是否有散熱器等條件相關(guān)。根據(jù)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(qū)，右上方為過損耗區(qū)。

手冊上給出的P_CM值是在常溫下25℃時測得的。硅管集電結(jié)的上限溫度為150℃左右，鍺管為70℃左右，使用時應(yīng)注意不要超過此值，否則管子將損壞。

（3）反向擊穿電壓U_BR（CEO）

反向擊穿電壓U_BR（CEO）是指基極開路時，加在集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓。使用中如果管子兩端的電壓U_CE＞U_BR（CEO），集電極電流I_C將急劇增大，這種現(xiàn)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E_C的值選得過大時，有可能會出現(xiàn)，當(dāng)管子截止時，U_CE＞U_BR（CEO）導(dǎo)致三極管擊穿而損壞的現(xiàn)象。一般情況下，三極管電路的電源電壓E_C應(yīng)小于1/2 U_BR（CEO）。

4、溫度對三極管參數(shù)的影響

幾乎所有的三極管參數(shù)都與溫度有關(guān)，因此不容忽視。溫度對下列的三個參數(shù)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(jié)果是在相同的I_B情況下，集電極電流I_C隨溫度上升而增大。

（2）對反向飽和電流I_CEO的影響：

I_CEO是由少數(shù)載流子漂移運動形成的，它與環(huán)境溫度關(guān)系很大，I_CEO隨溫度上升會急劇增加。溫度上升10℃，I_CEO將增加一倍。由于硅管的I_CEO很小，所以，溫度對硅管I_CEO的影響不大。

（3）對發(fā)射結(jié)電壓u_be的影響：

和二極管的正向特性一樣，溫度上升1℃，u_be將下降2～2.5mV。

綜上所述，隨著溫度的上升，β值將增大，i_C也將增大，u_CE將下降，這對三極管放大作用不利，使用中應(yīng)采取相應(yīng)的措施克服溫度的影響。