晶體三極管，是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。從外表上看兩個(gè)N區(qū)（或兩個(gè)P區(qū)）是對(duì)稱的，實(shí)際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大，基區(qū)要制造得很薄，厚度約在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米。如圖1從三個(gè)區(qū)引出相應(yīng)的電極，分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。

　　發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電結(jié)。PNP型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是空穴，移動(dòng)方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里；NPN型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是自由電子，移動(dòng)方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)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）。

　　初的三極管是由鍺（半導(dǎo)體）做成的。但是，鍺具有在80℃左右時(shí)發(fā)生損壞的缺點(diǎn)，因此現(xiàn)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(jié)構(gòu)示意圖

圖2 晶體三極管有PNP型和NPN型兩種類型

　　三極管產(chǎn)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(tài)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，主要以額定值的集電極功率Pc進(jìn)行區(qū)分，分為小信號(hào)晶體管和功率晶體管，一般功率晶體管的功率超過1W；根據(jù)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(gè)）、“極”是指Polar（極性）。雙極晶體管即流經(jīng)構(gòu)成晶體管的半導(dǎo)體的電流由空穴（正極性）和電子（負(fù)極性）產(chǎn)生。一般而言的晶體管是指這種由硅構(gòu)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(yīng)晶體管，又包括接合型FET、MOS型FET以及GaAs型三種。接合型FET多用于音頻設(shè)備等的模擬電路中，MOS型FET主要用于微控制器等數(shù)字IC，GaAs型用于衛(wèi)星廣播信號(hào)接收等的微波增幅。

　　MOS（Metal Oxide SemicONductor）因其構(gòu)造分別是金屬（Metal）、硅酸化膜（Oxide）、半導(dǎo)體（SemicONductor），故稱MOS。MOS還分為P型、N型、C型，因?yàn)橄M(fèi)電流小，用于微控制器等集成度高的IC。

　　三極管的封裝形式和管腳識(shí)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(guī)律，如圖4對(duì)于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(gè)引腳構(gòu)成等腰三角形的頂點(diǎn)上，從左向右依次為e b c；對(duì)于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(gè)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(shí)，必須進(jìn)行測量以確定各管腳的位置，或查找晶體管使用手冊(cè)。

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(tài)，分別為截止?fàn)顟B(tài)、放大狀態(tài)和飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

　　截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流都為零，這時(shí)三極管失去電流放大作用，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)，此時(shí)的三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

　　放大狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓并處于某一恰當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，這時(shí)基極電流對(duì)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(shù)β＝ΔIc/ΔIb，三極管處于放大狀態(tài)。

　　晶體三極管具有電流放大作用，其實(shí)質(zhì)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，這是三極管基本也是重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號(hào)“β”表示。電流放大倍數(shù)對(duì)于一只三極管來說是一個(gè)定值，但隨著三極管工作時(shí)基極電流的變化也會(huì)有一定的改變。下面通過圖5的A和B對(duì)晶體管的增幅原理作進(jìn)一步詳盡的說明。

　　與輸入電壓e和偏壓E1構(gòu)成的基極-發(fā)射極間電壓（V_BE）成比例的電流（I_B）的hFE（晶體管的直流電流增幅率）倍的電流（I_C）流經(jīng)集電極，這一集電極電流I_C流經(jīng)電阻R_L，從而I_C×R_L的電壓反映在電阻R_L兩端。終，輸入電壓e被轉(zhuǎn)換（增幅）成I_CRL電壓反映在輸出上。

圖5 三極管放大原理說明

　　飽和導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并當(dāng)基極電流增大到一定程度時(shí)，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不再變化，這時(shí)的三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，這種狀態(tài)我們稱之為三極管的飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

　　三極管的特性曲線

　　三極管外部各極電壓和電流的關(guān)系曲線，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(gè)PN結(jié)外加電壓之間的關(guān)系，可直觀、全面地反映三極管的電氣性能的外部特性。

　　由于三極管為三端器件，在電路中要構(gòu)成四端網(wǎng)絡(luò)，它的每對(duì)端子均有兩個(gè)變量（端口電壓和電流），因此要在平面坐標(biāo)上表示三極管的伏安特性，就必須采用兩組曲線簇，常采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(zhì)量與特性，還能用來定量地估算出三極管的某些參數(shù)，是分析和設(shè)計(jì)三極管電路的重要依據(jù)。

　　三極管的連接方式不同，對(duì)應(yīng)的特性曲線也不同。應(yīng)用廣泛的是共發(fā)射極電路，基本測試電路如圖6所示。共發(fā)射極特性曲線可以用描點(diǎn)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(dāng)集電極與發(fā)射極之間的電壓UBE 維持不同的定值時(shí)，

　　UBE和IB之間的一簇關(guān)系曲線，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

　　U_CE≥1V，即給集電結(jié)加上固定的反向電壓，集電結(jié)的吸引力加強(qiáng)，使得從發(fā)射區(qū)進(jìn)入基區(qū)的電子絕大部分流向集電極形成Ic。同時(shí)，在相同的U_BE值條件下，流向基極的電流IB減小，即特性曲線右移?？傊龢O管的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似，因?yàn)閎、e間是正向偏置的PN結(jié)（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(fā)射極之間的電壓UCE同集電極電流Ic的關(guān)系。共射輸出特性曲線表示以IB為參變量時(shí)，Ic和UCE間的關(guān)系為：Ic= f（UCE）/IB = 常數(shù)。在輸出特性曲線上，曲線間的距離隨溫度升高而增大。

　　實(shí)測的輸出特性曲線如圖8所示：根據(jù)外加電壓的不同，整個(gè)曲線可劃分為四個(gè)區(qū)：     放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)。

圖8 三極管輸出特性曲線

　?。?）截止區(qū)： I_B=0的那條特性曲線以下的區(qū)域（圖中藍(lán)色區(qū)域）。在此區(qū)域里，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)，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(qū)：圖中綠色區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同IB值的輸出特性曲線簇幾乎重合在一起。意味著當(dāng)UCE較小時(shí)，Ic變化較小，即IB失去了對(duì)Ic的控制能力，三極管處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)，即：U_CE < U_BE ，I_B > I_C，U_CE ≈0.3V

　　一般規(guī)定：當(dāng) U_CE=U_BE 時(shí)的狀態(tài)為臨界飽和（V_CB=0）；當(dāng) UCE＜UBE 時(shí)的狀態(tài)為過飽和。飽和時(shí)的UCE用UCES表示，三極管深度飽和時(shí)U_CES很小，一般小功率管的U_CES＜ 0.3V，鍺管的U_CES＜ 0.1V，比硅管還要小。

　?。?）放大區(qū)：在截止區(qū)以上，介于飽和區(qū)與擊穿區(qū)之間的區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，特性曲線近似于一簇平行等距的水平線，Ic的變化與I_B基本保持線性關(guān)系，即I_C=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(duì)集電極電流的控制作用也很弱，當(dāng)U_CE＞1 V后，即使再增加U_CE，Ic 也幾乎不再增加，此時(shí)，若IB 不變，則三極管可以被看作一個(gè)恒流源。在放大區(qū)，三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。

　?。?）擊穿區(qū)：隨著U_CE增大，反向偏置電壓U_CB相應(yīng)增大。當(dāng)U_CE增大到一定值時(shí)，集電結(jié)就會(huì)發(fā)生反向擊穿，造成集電極電流Ic劇增，這一特性表現(xiàn)在輸出特性圖上則為擊穿區(qū)域。

　　造成擊穿的原因是由于集電結(jié)是輕摻雜的，產(chǎn)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(qū)寬度很小的三極管中，還會(huì)發(fā)生特有的穿通擊穿，即：當(dāng)UCE增大時(shí)，UCB相應(yīng)增大，導(dǎo)致集電結(jié)的阻擋層寬度增寬，直到集電結(jié)與發(fā)射結(jié)相遇，基區(qū)消失，這時(shí)發(fā)射區(qū)的電子將直接受集電結(jié)電場的作用，引起集電極電流迅速增大，呈現(xiàn)類似擊穿的現(xiàn)象。

　　三極管的主要參數(shù)

　　三極管的參數(shù)是用來表征其各方面性能及其運(yùn)用范圍的指標(biāo)，可以作為電路設(shè)計(jì)、調(diào)整和使用時(shí)的參考。主要參數(shù)有：

　　1、  電流放大系數(shù)

　　在討論大幅度信號(hào)變化或涉及直流量時(shí)使用的直流放大系數(shù)：

　　在討論小信號(hào)的變化量時(shí)使用的交流放大系數(shù)：

　　當(dāng)基本不變（或在IE的一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)）時(shí)，

　　2、極間反向電流

　　表達(dá)式：I_CEO = （1+β） I_CBO

　　其中：  I_CBO 指發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極間的反向飽和電流，I_CEO指基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極間的穿透電流。

　　3、特征頻率fT

　　f_T是反映晶體管中兩個(gè)PN結(jié)電容的影響的參數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率增高到一定值后，結(jié)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(shí)輸入信號(hào)的頻率。

　　4、極限參數(shù)

　　（1）集電極允許電流I_CM：

　　Ic在一個(gè)很大范圍內(nèi)β值基本不變，當(dāng)Ic超過一定數(shù)值后，β值明顯下降，該值為I_CM。

　　（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(shí)，射一基極間的反向擊穿電壓，這是發(fā)射結(jié)允許的反向電壓，一般為1伏～幾伏。

　　U_（BR）CBO：發(fā)射極開路時(shí)，集—基極間的反向擊穿電壓，即集電結(jié)所允許的反向電壓，一般為幾十伏～幾千伏。

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

　　（3）集電極允許功率損耗P_CM：P_CM = Ic·U_CE

　　P_CM與三極管允許的溫升有關(guān)，三極管在使用時(shí)的功耗不能超過P_CM，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(diǎn)及應(yīng)用

　　1.為了保證在放大模式信號(hào)時(shí)不產(chǎn)生明顯的失真，三極管應(yīng)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(qū)，任何時(shí)候都不能工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。

　　2.為了保證三極管工作在放大區(qū)，在組成放大電路時(shí)，外加的電源極性應(yīng)使三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。

　　3. 當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時(shí)，由于其輸入輸出特性并不完全理想（表現(xiàn)為曲線而非直線），因此，放大后的波形仍有一定程度的非線性失真。

　　4.三極管是一個(gè)非線性元件，各項(xiàng)參數(shù)（如β、rbe等）均不為常數(shù)，在分析三極管組成的放大電路時(shí)，不能簡單地采用線性電路的分析方法。放大電路的基本分析方法一般采用圖解法和微變等效電路（小信號(hào)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(qū)時(shí)具有正向受控作用，等效為一個(gè)受控電流源，而工作在飽和區(qū)和截止區(qū)時(shí)具有可控開關(guān)特性。這種非線性和可控性（正向受控和可控開關(guān)）是實(shí)現(xiàn)眾多電路功能的基礎(chǔ)，或者說，眾多的應(yīng)用電路都是以三極管為，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(dǎo)線性電路、有源電阻、可控開關(guān)等。

　　三極管的開關(guān)特性在數(shù)字電路中應(yīng)用廣泛，是數(shù)字電路中基本的開關(guān)元件，通常不是工作在飽和區(qū)就是工作在截止區(qū)，而放大區(qū)只是出現(xiàn)在三極管由飽和區(qū)變?yōu)榻刂够蛴山刂棺優(yōu)轱柡偷倪^渡過程中，是瞬間即逝的。因此，對(duì)開關(guān)管我們要特別注意其開關(guān)條件和它在開關(guān)狀態(tài)下的工作特點(diǎn)。

　　1948年，晶體管的發(fā)明給當(dāng)時(shí)的電子工業(yè)界帶來了前所未有的沖擊，成為了今日電子時(shí)代的開端。之后以計(jì)算機(jī)為代表的電子技術(shù)取得飛速發(fā)展，三極管不僅在計(jì)算機(jī)、手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用，還被廣泛用于汽車、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備以及數(shù)千種日用設(shè)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(huì)增加一倍，同時(shí)其功能和性能將提高，而成本則會(huì)降低。40多年以來，摩爾定律已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的基本商業(yè)模式。今年，英特爾宣布公司在晶體管發(fā)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(shè)計(jì)，預(yù)示著微處理器技術(shù)和產(chǎn)品將隨之出現(xiàn)前所未有的變革。我們有理由相信今后的發(fā)明恐怕都難以與晶體三極管的發(fā)明相提并論，晶體三極管為現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展帶來了巨大的影響。