三极管

第3章三极管放大电路基础在前一章中介绍了半导体二极管的工作原理，它是半导体器件的基础，它的主要特性是单向导电性。

然而半导体二极管是一个二端器件，它不能对信号进行放大。

本章将介绍的半导体三极管（又称晶体三极管，简称三极管或晶体管）是一个三端器件，它是放大器设计的基础。

半导体三极管是由两个靠得很近并且背对背排列的PN结组成的，它是由自由电子与空穴作为载流子共同参与导电的，因此半导体三极管也称为双极型三极管(Bipolar Junction Transistors)，简称BJT。

本章首先对半导体三极管的物理结构与工作原理进行简要描述，然后对三极管的端口电流及器件的伏安特性进行介绍。

给出了不同工作模式时的三极管电路工作模型，阐述了半导体三极管直流偏置电路的分析与设计，详细地分析了各种由三极管组成放大电路的性能与特点。

3．1 三极管的物理结构与工作模式3.1.1物理结构与电路符号三极管是由两个靠得很近并且背对背排列的PN结组成的。

根据PN结的排列方式不同，三极管可分为两种类型：一种称为NPN型三极管，它的物理结构如图3-1-1（a）所示，对应的电路符号如图3-1-1(b)所示；另一种称为PNP型三极管，它的物理结构如图3-1-2（a）所示。

对应的电路符号如图3-1-2(b)所示。

两个PN结所对应的三个中性区分别为发射区、基区、集电区，它们的电极引出连线分别称为发射极（E）、基极（B）、集电极（C）。

发射区与基区之间的PN结称为发射结（简称EBJ），集电区与基区之间的PN结称为集电结（简称CBJ）。

该结构的特点是基区的宽度很小（m数量级），发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度（几十~上百倍），集电结的面积大于发射结面积。

C）基极（B）C(a)(b) 图3-1-1 NPN三极管结构与电路符号ECB(a)(b)E图3-1-2 PNP 三极管结构与电路符号3．1．2三极管的工作模式三极管由两个PN 结组成，即发射结(EBJ)和集电结(CBJ)。

依据这两个PN 结的偏置情况（正偏和反偏），可以得到三极管的不同工作模式，如表3-1-1所示。

表3-1-1 三极管的工作模式放大模式也称为正向放大模式，当三极管作为放大器件工作时应采用这种工作模式。

当作为开关应用时（如逻辑电路），应采用截止模式和饱和模式。

倒置模式在放大电路中一般不采用。

3．2三极管放大模式的工作原理 3．2．1 三极管内部载流子的传递对于NPN 型三极管，在放大模式时要求偏置电压BE V 保证发射结正向偏置，偏置电压CB V 保证集电结反向偏置，如图3-2-1所示。

C图3-2-1 NPN 型三极管放大模式的载流子传递在发射结处，由于发射结正向偏置，通过发射结的正向电流是由两边的多数载流子通过发射结扩散而形成的。

它由两部分组成：一是发射区中的多数载流子（自由电子）通过发射结源源不断地注入到基区而形成的电子电流EN I ，二是基区的多数载流子（空穴）通过发射结注入到发射区而形成的空穴电流EP I （即1B I ）。

其中通过发射结注入到基区的自由电子边扩散边复合，同时向集电结边界行进。

由于基区很薄，注入基区的自由电子在行进过程中仅有很小部分被基区中的空穴复合掉（形成的电流2B I ），而绝大部分都到达了集电结边界。

在集电结处，由于集电结反向偏置，通过集电结的电流是由两边的少数载流子通过集电结漂移而形成的。

它由三部分组成：一是由发射区注入基区的大量自由电子通过集电结被集电区收集而形成的电流1CN I ，二是基区中少数载流子（自由电子）通过集电结而形成的漂移电流2CN I ，三是集电区中少数载流子（空穴）通过集电结而形成的漂移电流CP I 。

另外由于发射区为高掺杂浓度、基区为低掺杂浓度，因此在发射区中有EP EN I I >>。

在集电区中，由于CP I 、2CN I 是由少数载流子形成的，而1CN I 是由发射区中注入大量的自由电子经基区的少量复合后被集电区收集的，因此有CP CN CN I I I 、21>>。

通过上述分析，在众多的载流子中，唯有发射区中的自由电子通过发射结注入、基区扩散（复合）和集电区收集三个环节将发射区的注入电流EN I 转化为集电结电流1CN I ，成为正向受控的电流，且其大小仅受发射结的正向偏置电压BE V 控制，而几乎与集电结反向偏置电压CB V 无关。

其它载流子对正向受控作用来说都是无用的，是三极管的寄生电流。

在一般情况下，由少数载流子形成的电流CP I 、2CN I 可忽略不计，但随着温度的升高，由于本征激发的增强，基区和集电区的少数载流子大量增加，CP I 、2CN I 则显著增大。

3．2．2 三极管的各极电流通过上述三极管内部载流子的传递情况分析可知，三极管内部载流子的定向移动形成了三极管的外部电流，即集电极电流C I 、基极电流B I 、发射极电流E I 。

集电极电流C I由图3-2-1可知，集电极的电流由三部分组成的，即有：()CBO CN CP CN CN C I I I I I I +=++=121 （3-2-1）其中CP CN CBO I I I +=2 （3-2-2）就是集电结本身的反向饱和电流。

由于它是由少数载流子形成的，在常温下一般是很小的，可忽略不计，但它与温度密切相关，温度每升高10℃，CBO I 大约增大一倍。

因此集电极的电流主要由发射区注入到基区、并被集电区收集的自由电子形成的电流1CN I ，它主要受发射结的正向偏置电压BE V 影响。

集电极的电流可表示为TB EV V S C eI I = （3-2-3）其中S I 为饱和电流，它与基区的宽度成反比，与发射结的面积成正比，因此也称为比例电流。

S I 的典型范围为A 1210-到A 1810-（取决于器件的尺寸大小）。

S I 也与温度有关，温度每升高5℃，S I 约增大一倍。

基极电流B I在图3-2-1中，基极电流是由三部分组成的，即有：CBO B B B I I I I -+=21 （3-2-4）由于CP CN CBO I I I +=2很小可忽略不计，因此基极电流主要是由两部分决定的。

第一部分1B I 是由基区注入到发射区的空穴引起的，它与发射结的正向偏置电压BE V 有关，即与TB EV V e 成比例关系。

第二部分2B I 是基区中的空穴与发射区注入的自由电子复合引起的电流。

由于基区很薄，仅有很少部分的空穴与自由电子进行复合，它也与TB E V V e成比例关系。

由式（3-2-3）可知，基极电流也与集电极电流C I 成比例关系，它可表示为：TB EV V SCB e I I I ⎪⎪⎭⎫⎝⎛==ββ （3-2-5） 其中β称为共发射极的电流放大系数，它反映了基极电流B I 对集电极电流C I 的控制能力。

对于给定的三极管，其β值为常数，一般在50到200之间，但会受温度的变化而影响。

发射极电流E I若将三极管看成一个结点，则流入三极管的电流必须等于流出电流。

在图3-2-1中可以看出发射极流出的电流E I 必等于集电极电流C I 与基极电流B I 之和，即C B E I I I += （3-2-6） 利用式（3-2-3）和式（3-2-5）可得TB EV V S C C E e I I I I ααββ111==+= （3-2-7）或者E C I I α= （3-2-8） 其中比例系数α称为共基极的电流放大倍数，它反映了发射极电流E I 转化为集电极电流C I 的能力。

另外由式（3-2-7）可知，系数α与β满足以下关系ββα+=1 或者 ααβ-=1 （3-2-9） 由上式可以看出，α也是一个常数（对于给定的三极管），并且其值一般小于1，且非常接近于1。

例如，如果100=β，则有99.0≈α。

对于PNP 型的三极管，其内部载流子传递的工作原理与NPN 型三极管对应，因此，本文不再作详细分析。

PNP 型三极管的外部各极电流的大小与NPN 型一样，但其实际电流的流向则刚好与NPN 型三极管相反。

例3．1 对于一个NPN 型三极管，当mA I C 1=时，V V BE 7.0=。

求当mA I C 1.0=和mA 10时，对应的BE V 分别为多少？ 解：因为TB EV V S C eI I =，则有⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=S CT BE I I V V ln ，因此有⎪⎪⎭⎫⎝⎛=S C T BE I I V V 11ln 。

所以有⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-C C T BE BE I I V V V 11ln若令mA I C 1.01=时，V I I V V V C C T BE BE 06.011.0ln 26ln 11-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-，则V V V BE BE 64.006.07.006.01=-=-=若令110C I mA =时，V I I V V V C C T BE BE 06.0110ln 26ln 11=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-，则V V V BE BE 76.006.07.0058.01=+=+=例3．2 对某一电路中的NPN 三极管测量显示基极电流为A μ46.14，发射极电流为mA 46.1，发射结电压为V 7.0。

求该条件下的α、β和S I 。

解：因为A I B μ46.14=，mA I E 46.1=，所以mA A mA I I I B E C 446.146.1446.1=-=-=μ，则10046.14446.1===AmA I I B C μβ 99.010011001=+=+=ββα 因为T B EV V S C eI I =，则A eeI I mVV V C S TB E 15267.031094.210446.1----⨯=⨯==3．3三极管的实际结构与等效电路模型 3．3．1三极管的实际结构图3-3-1给出了一个比较实际的NPN 型三极管的横截面。

由图可知，集电区实际上是包围着发射区的，所以集电结比发射结有更大的结面积，这样使得被注入到薄基区的自由电子很难逃脱被收集的命运。

因此，α就非常接近于1，β非常大。

BBCE图3-3-1 NPN 三极管的横截面图 图3-3-2 放大模式的NPN 型三极管的等效电路模型3．3．2三极管的等效电路模型由前面分析可知，在正向偏置电压BE V 作用下，产生一个与指数相关的集电极电流C I ，只要集电极保持反偏状态，那么该集电极电流C I 与集电结反向偏置电压CB V 大小无关。

因此，三极管在放大模式下，集电极端相当于一个理想的恒流源，它的电流值由BE V 控制。

基极电流B I 是集电极电流的β1倍，发射极电流E I 是基极电流与集电极电流之和。

由于B I 远小于C I （因为β值很大），因此有C E I I ≈。