三极管基极电流与集电极电压关系

1.晶体三极管的分类及结构

晶体三极管通常简称为三极管，也称为晶体管和半导体三极管。它采用光刻、扩散等工艺在同一块半导体硅（锗）片上掺杂形成三个区、两个PN结，并引出三个电极。由两个N区夹一个P区结构的三极管称为NPN型晶体管；由两个P区夹一个N区结构的三极管称为PNP型晶体管。晶体管按照制造材料分为锗管和硅管；按照工作频率分为低频管和高频管；按照允许耗散的功率大小分为小功率管、中功率管和大功率管。常见外形如图2-1-2所示。

图2-1-2　常用三极管的外形及管脚排列

三极管的结构示意图及其符号如图2-1-3所示。图（a）所示为NPN型三极管，图（c）所示为PNP型三极管。由图可见，两种三极管都有三个区：基区、集电区和发射区；两个PN结：集电区和基区之间的PN称为集电结，基区和发射区之间的PN结称为发射结；三个电极：基极b、集电极c和发射极e。其结构特点是发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度比发射区低，且集电区面积比发射区大，基区掺杂浓度远低于发射区且很薄，三极管符号中的箭头方向表示发射极电流的实际流向。

图2-1-3　三极管的结构示意图及其符号

尽管NPN型和PNP型三极管的结构不同，使用时外加电源也不同，但接成放大电路时工作原理是相似的，本章将以NPN管为例，讨论三极管放大电路的基本原理、分析和计算方法。

2.三极管的工作原理

（1）三极管放大交流信号的外部条件。

要使三极管正常放大交流信号，除了需要满足内部条件外，还需要满足外部条件：发射结外加正向电压（正偏压），集电结外加反向电压（反偏压）。对于NPN管，UBE＞0，UBC＜0；对于PNP管，UBE＜0，UBC＞0。为此，可用两个电源UBB、UCC来实现正确偏置，如图2-1-3所示。

（2）晶体管内部载流子运动过程。

①发射区的电子向基区运动。

如图2-1-4所示，由于发射结外加正向电压，多子的扩散运动增强，所以发射区的“多子”——自由电子不断越过发射结扩散到基区，形成了发射区电流IEN（电流的方向与电子运动方向相反）。同时电源向发射区补充电子，形成电流IE。而此时基区的“多子”——空穴也会向发射区扩散，形成空穴电流IEP。但由于基区掺杂浓度低，空穴浓度小，IEP很小，可忽略不计，故IEN基本上等于发射极电流IE。

图2-1-4　三极管内部载流子

②发射区注入基区的电子在基区的扩散与复合。

当发射区的电子到达基区后，由于浓度的差异且基区很薄，电子很快运动到集电结。在扩散过程中有一部分电子与基区的空穴相遇而复合，同时，电源UBB不断向基区补充空穴，形成基区复合电流IBN。由于基区掺杂浓度低且基区很薄，故复合的电子很少，亦即IBN很小。

③集电区收集发射区扩散过来的电子运动。

由于集电结加反向电压，有利于“少子”的漂移运动，所以基区中扩散到集电结边缘的非平衡“少子”——电子，在电场力作用下，几乎全部漂移过集电结，到达集电区，形成集电极电流ICN。同时，集电区“少子”——空穴和基区本身的“少子”——电子，也要向对方做漂移运动，形成反向饱和电流ICBO。ICBO的数值很小，一般可忽略。ICBO是由“少子”形成的电流，称为集电结反向饱和电流，方向与ICN一致，该电流与外加电压关系不大，但受温度影响很大，易使三极管工作不稳定，所以在制造管子时应设法减少ICBO。

图2-1-4是将三极管连接成共发射极组态内部载流子运动的示意图，由图可得

将式（2-1-2）、式（2-1-3）代入式（2-1-1）中，有

即发射极的电流等于基极电流与集电极电流之和。

综上所述，三极管在发射结正偏电压、集电结反偏电压的作用下，形成IB、IC和IE，其中IC和IE主要由发射区的多数载流子从发射区运动到集电区而形成，IB主要是电子和空穴在基区复合形成的电流。可见三极管内部电流由两种载流子共同参与导电而形成，因此称之为“双极型三极管”。

3.三极管的特性曲线及主要参数

（1）三极管的特性曲线。

晶体三极管的特性曲线是指其各电极间电压和电流之间的关系曲线，包括输入特性曲线和输出特性曲线，它们是三极管内部特性的外部表现，是分析放大电路的重要依据。这两组曲线可通过晶体管特性图示仪测得，也可通过实验的方法得到。图2-1-5所示是以共发射极放大电路为例的三极管特性测试电路示意图。

图2-1-5　三极管特性测试电路

①输入特性曲线。

对于图2-1-5所示测试电路，输入特性曲线是指在集射极电压uCE为一定值时，输入基极电流iB与输入基射极电压uBE之间的关系曲线，即

图2-1-6（a）是NPN型硅晶体三极管的输入特性曲线。实际上输入特性曲线和二极管的正向伏安特性曲线很相似，也存在死区电压。当uBE小于死区电压时，三极管截止，iB=0。一般硅晶体三极管的死区电压典型值为0.5V，锗晶体三极管的死区电压典型值为0.1V。当uBE大于死区电压时，基极电流随着uBE的增加迅速增大，此时三极管导通。在图中只给出两条曲线：uCE=0和uCE≥1V，并且uCE≥1V的输入特性曲线右移了一段距离。这是由于在uCE=0时，集电结处于正向偏置，集电区没有收集电子的能力或很弱，此时发射区发射的电子在基区复合得多；uCE≥1V后，集电结处于反向偏置，集电区收集电子的能力增强，更多的发射区电子被“收集”到集电区，因此在uBE相同的情况下，基极电流较uCE=0时小。

图2-1-6　三极管特性曲线

此外，uCE≥1V以后，只要uBE一定，发射区发射到基区的电子数目就一定，这时uCE已足以把这些电子的大部分收集到集电区，再增大uCE，基极电流iB也不再随之明显变化，uCE≥1V以后的输入特性曲线是重合的。

实际放大电路中大都满足uCE≥1V，因此，三极管的输入特性曲线都是指这条曲线。三极管导通后，发射结的导通电压和二极管基本一致，工程计算典型值一般硅管取｜UBE｜=0.7V，锗管取｜UBE｜=0.2V。

②输出特性。

对于图2-1-5所示共发射极放大电路，三极管输出特性是指当iB为定值时，集电极电流iC与集射极之间电压uCE的关系曲线，即

不同的基极电流iB对应的曲线不同，因此，三极管的输出特性实际上是一族曲线，图2-1-6（b）即为典型的NPN硅三极管的输出特性。一般将输出特性分成三个区：放大区、饱和区和截止区。

a.放大区。

三极管工作在放大区时，其发射结正向偏置，集电结处于反向偏置，集电极电流基本不随uCE而变，故iC具有恒流特性，利用这个特点，晶体三极管在集成电路中广泛被用作恒流源和有源负载。在放大区满足ΔiC=βΔiB关系，因而放大区也称为线性区。

b.饱和区。

三极管工作在饱和区时uCE＜1V，此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。三极管进入饱和区后，ΔiC≠βΔiB，此时β下降，uCE很小，估算小功率三极管电路时，硅管典型值一般取｜UCES｜=0.3V，锗管典型值取｜UCES｜=0.1V。在放大电路中应避免三极管工作在饱和区。

c.截止区。

当发射结电压低于死区电压时，三极管即工作在截止区，为了使三极管可靠截止，常使发射结处于反向偏置状态。所以三极管工作在截止区时，发射结和集电结均反偏，iB≤0，iC=ICEO很小。

在输出特性曲线上的饱和区和截止区，输出电流iC和输入电流iB为非线性关系，故称饱和区和截止区为非线性区。当三极管处于放大电路时，应避免进入非线性区。

（2）三极管的主要参数。

三极管的参数是表示其性能和作为使用依据的数据，主要有以下参数：

①电流放大倍数。

对于图2-1-7所示的共发射极放大电路，在静态ui=0时，把输入电压集电极直流电流IC和基极直流电流IB的比值，称为共发射极直流电流放大系数，即

图2-1-7　ICBO测试电路图

b.交流电流放大系数β。

②极间反向电流。

a.集电极、基极之间的反向饱和电流ICBO。

集电极、基极之间的反向饱和电流ICBO是在发射极开路情况下，集电极、基极之间的反向电流，其测试电路如图2-1-7所示。实际上ICBO是由集电结反偏时，集电区和基区中的少数载流子漂移运动所形成的。在一定温度下，其数值和集电结的反偏电压无关，基本上是常数，故称为反向饱和电流。ICBO的数值很小，但受温度的影响大。对于一般小功率硅管，ICBO小于1μA，锗管约为几微安至几十微安。由于ICBO是集电极电流的一部分，会影响三极管的放大性能，故它是衡量晶体管温度稳定性的参数，其数值越小越好。

b.集电极、发射极之间的穿透电流ICEO。

图2-1-8　ICEO测试电路图

ICEO和ICBO都是衡量三极管的重要参数，由于ICEO的数值要比ICBO大很多，并且测量计算较容易，故常把ICEO作为判断三极管质量的重要依据。

③集电极最大允许电流ICM。

④集电极、发射极之间的反向击穿电压U（BR）CEO。

U（BR）CEO是指基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压，如图2-1-6（b）所示，此时集电结处于反向偏置，故当集电极和发射极之间电压超过U（BR）CEO时，集电结会反向击穿，集电极电流会大幅度上升，此时导致三极管损坏。

⑤集电极最大允许功率损耗PCM。

集电极的功率损耗等于集电极直流电流IC与集电极、发射极之间直流电压UCE的乘积，即

由于集电极电流流过集电结时会产生热量，因此使结温升高。结温的高低意味着管子功耗的大小，管子的结温是有一定限制的，集电极最大允许功率损耗PCM就是集电结的结温达到极限时的功耗。一般来说，锗管的允许结温约为70℃～90℃，硅管约为150℃。

值得注意的是，环境的不同对集电极最大允许功率损耗的要求不同，如果环境温度增高，则PCM会下降。如果管子加散热片，则PCM可得到很大的提高。一般在环境温度为25℃以下时，把PCM＜1W的管子称为小功率管，PCM＞10W的管子称为大功率管，功率介于两者之间的管子称为中功率管。

由集电极最大允许电流ICM、集电极-发射极反向击穿电压U（BR）CEO和集电极功率损耗PC=ICUCE围成的一个区域，称为三极管的安全工作区，即如图2-1-6（b）中过功耗区左侧所示区域。

为确保晶体三极管能正常安全工作，使用时不应超出这个区域。