2.1.5 晶体管
晶体管又称三极管，是最重要的一种半导体器件。常见晶体管的外形如图2.1.7所示。
图2.1.7 常见晶体管的外形
1.晶体管的基本结构
常见晶体管的结构是平面型和合金型，如图2.1.8所示，平面型主要是硅管，合金型主要是锗管。
不论是平面型还是合金型，内部都由NPN或PNP三层半导体材料构成，因此，晶体管又分为NPN型和PNP型两类。其结构示意图和电路符号如图2.1.9所示。
图2.1.8 晶体管的两种结构
（a）平面型；（b）合金型
图2.1.9 晶体管结构示意图及电路符号
（a）NPN型；（b）PNP型
每种类型的晶体管都是由基区、发射区和集电区组成的，每个区分别引出一个电极，即基极（B）、发射极（E）和集电极（C）。每个管子都有两个PN结，发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电结。电路符号里的箭头表示发射极电流的方向（PNP型三极管发射区“发射”的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区“发射”的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向）。为了保证上述两种晶体管具有电流放大作用，它们在制造工艺上有以下特点：（1）基区做得很薄（几微米至几十微米），掺杂浓度很低，故基区载流子浓度很低。（2）发射区掺杂浓度非常高，一般比基区的掺杂浓度高几百倍。（3）集电区面积相对较大，掺杂浓度较低，故晶体管集电区和发射区不能互换使用。
2.电流分配和电流放大作用
为了了解晶体管的电流分配和电流放大作用，进行了下面的实验，实验电路如图2.1.10所示。基极电源EB、基极电阻RB、基极B和发射极E组成输入回路，集电极电源EC、集电极电阻RC、集电极C和发射极E组成输出回路。发射极是输入回路和输出回路的公共电极，所以这种电路称为共发射极电路。
电路中，EC＞EB，这样保证了发射结加的为正向电压（正向偏置），集电极加的为反向电压（反向偏置），这是晶体管实现电流放大作用的外部条件。调整电阻RB，得到了如表2.1.6所示实验数据。
图2.1.10 实验电路
表2.1.6 实验数据
分析表2.1.6数据，得到了如下结论：
（1）IE＝IC＋IB，满足KCL定律。
（2）IC和IE比IB大得多。
（3）IB很小的变化可以引起IC很大的变化，即基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是晶体管电流放大作用的实质。
下面用晶体管内部载流子的运动规律来解释上述结论：首先，电源作用于发射结上使得发射结正向偏置，发射区的自由电子不断地流向基区，形成发射极电流；其次，自由电子由发射区流向基区后，首先聚集在发射结附近，但随着此处自由电子的增多，在基区内部形成了电子浓度差，使得自由电子在基区中由发射结逐渐流向集电结，形成集电极电流；最后，由于集电结处存在较大的反向电压，阻止了集电区的自由电子向基区进行扩散，并将聚集在集电结附近的自由电子吸引至集电区，形成集电极电流。
综上所述，可归纳为以下两点：
（1）晶体管在发射结正偏、集电结反偏的条件下具有电流放大作用。
（2）晶体管的电流放大作用，其实质是基极电流对集电极电流的控制作用。习惯上称晶体管为放大元件，但严格上讲，它只是一种控制元件，因为它并不能放大能量，只是用一个小的能量来控制电源向负载提供更大的能量。
3.特性曲线
晶体管的伏安特性曲线反映了各电极的电流和电压之间的关系，实际上是其内部特性的外部表现，它反映出晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。
1）输入特性曲线
输入特性曲线是指当集电极-发射极电压uCE为常数时，输入电路中基极电流iB与基极-发射极电压uBE之间的关系曲线（图2.1.11），即
图2.1.11 输入特性曲线
晶体管在正常工作情况下，硅管的UBE＝0.7 V，锗管的UBE＝0.3 V。
输入特性曲线的特点如下：
（1）当UCE＝0 V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线，这个时候，只需要加入0.7 V的UBE就能导通了，相当于一个二极管的导通UBE＝0.7 V。
（2）当UCE＝0.5 V，这个时候，电子进入基区后，要选择VEC还是VEB的正极去，由于VEC＝0.5 V，VEB＝0.7 V，VEB的吸引作用更强，但是VCC仍然分流了一部分电子，内在表现等效为PN结的内阻增大，PN结变厚，扩散作用受到阻碍，于是就必须增大UBE把被VEC抢去的电子抢回来。
（3）当UCE＝1 V，如果还是保持UBE＝VEB＝0.7 V，那么UCB＝UCE-UBE＞0，集电结已进入反偏状态，开始大量收集电子，必须要增大UBE，把被VEC抢去的电子抢回来，表现为大量的电子经过RC流向VEC，这个过程称为复合过程。
2）输出特性曲线
输出特性曲线是指当基极电流为常数时，集电极电流与集电极-发射极电压之间的关系曲线，即
给定一个基极电流，就对应一条特性曲线，所以输出曲线是个曲线族，如图2.1.12所示。从曲线可以看出，输出特性大致分三个区域。
图2.1.12 输出特性曲线
（1）截止区。
当UBE＜0时，则IB≈0，发射区没有电子注入基区，但由于分子的热运动，集电极仍有小量电流通过，即IC＝ICEO称为穿透电流，常温时ICEO约为几微安，锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流ICBO的关系为ICEO＝（1＋β）ICBO。
（2）放大区。
当晶体管发射结处于正偏而集电结处于反偏工作时，IC随IB近似做线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。对于NPN型管而言，应使UBE＞0，UBC＜0。
（3）饱和区。
对于NPN型管而言，当UBE＞0，UBC＞0时，发射结和集电结均处于正偏状态，IC基本上不随IB而变化，失去了放大功能。
从上面输出特性曲线各个区域PN结的特点可知：根据三极管发射结和集电结偏置情况，可以判别其工作状态。
4.主要参数
1）共发射极电流放大系数
（1）直流电流放大系数β-。
没有交流信号输入时，集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即
（2）交流电流放大系数β。
在动态时，集电极输出电流的变化量ΔIC与基极输入电流的变化量ΔIB之比，即
可见，上面两个值的含义是不同的，但是两者数值较为接近，在以后的分析中，认为两个值就是一个值。一般晶体管的β为10～200，如果β太小，电流放大作用差，如果β太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。
2）极间反向电流
（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO。
发射极开路（IE＝0）时，基极和集电极之间加上规定的反向电压UCB时的集电极反向电流，它只与温度有关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极-基极的反向饱和电流。良好的晶体管，ICBO很小，小功率锗管的ICBO为1～10 μA，大功率锗管的ICBO可达数毫安，而硅管的ICBO则非常小，是毫微安级。
（2）集电极-发射极反向电流ICEO（穿透电流）。
基极开路（IB＝0）时，集电极和发射极之间加上规定反向电压UCE时的集电极电流。ICEO大约是ICBO的β倍，即ICEO＝（1＋β）ICBO。ICBO和ICEO受温度影响极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率锗管的ICEO比硅管大。
（3）发射极-基极反向电流IEBO。
集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。
3）极限参数
（1）集电极最大允许电流ICM。
当集电极电流IC增加到某一数值，引起β值下降到额定值的2／3时，这时的IC值称为ICM。所以当IC超过ICM时，虽然不致使管子损坏，但β值显著下降，影响放大质量。
（2）集电极-基极反向击穿电压U（BR）CBO。
当发射极开路时，集电极-基极间允许加的最高反向电压，一般在几十伏以上。
（3）集电极-发射极间反向击穿电压U（BR）CEO。
当基极开路时，集电极-发射极间允许加的最高反向电压，通常比U（BR）CBO小一些。
（4）发射极-基极间反向击穿电压U（BR）EBO。
当集电极开路时，发射极-基极间允许加的最高反向电压，一般为5 V左右。
（5）集电极最大允许耗散功率PCM。
晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。硅管的结温允许值大约为150℃，锗管的结温允许值为85℃左右。要保证管子结温不超过允许值，就必须将产生的热散发出去。晶体管在使用时，其实际功耗不允许超过PCM值，否则会造成晶体管因过载而损坏。通常将耗散功率PCM＜1 W的晶体管称为小功率晶体管，1 W≤PCM＜5 W的晶体管被称为中功率晶体管，将PCM≥5 W的晶体管称为大功率晶体管。
根据管子的PCM值，由PCM＝UCEIC可在晶体管的输出特性曲线上作出PCM曲线，由PCM、ICM、U（BR）CEO三者共同确定晶体管的安全工作区，如图2.1.13所示。
图2.1.13 安全工作区