晶体三极管

（金国钧）晶体三极管简称为晶体管。外形和电路图中的符号见图1。

一块半导体材料分成三部分：两边是P型半导体中间是N型半导体，或者两边是N型半导体中间是P型半导体。前一种是PNP型晶体管（锗管3A系列，硅管3C系列，都是PNP型），后一种是NPN型晶体管（锗管3B系列，硅管3D系列，都是NPN型晶体管）。它们的基本结构见图2。

从图2可以看出，晶体管是由两个PN结构成。晶体管的导电分析

以下的说明，以NPN型晶体管为例。

晶体管电源连接方式，一般都是使发射结正向连接，收集结反向连接（如图3所示）。此外，基区做得很薄，基区导电率比发射区低很多，也就是说基区载流子极少。集电区与发射区虽然是同一类型的半导体，但导电率也不相同。因此，晶体管各个管脚不能弄错。

电源接通后，发射结在正向电场作用下，多数载流子（电子）的扩散运动加强。收集结在反向电场作用下，少数载流子（空穴）的漂移运动加强。（参阅本刊1973年第2期《PN》结一文）

从发射区扩散到基区的电子，到达基区后，由于基区靠发射区一边电子浓度较大，靠集电区一边电子浓度较小，所以继续向集电区方向扩散。收集结加的是反向电场，向收集结方向运动的电子是逆电场方向的，所以受到拉力，加速流向集电区。上面已说过，基区做得极薄，而且载流子极少，因此，在这种情况下，从发射极扩散来的电子大部分很快进入集电区，只有极少一部分在基区与空穴复合（即电子进入空穴）。

从发射区扩散进入基区的电子，不断从发射极电源得到补充，形成发射极电流I\(_{e}\)。

基区的多数载流子（空穴）也要向发射区扩散，但由于基区载流子很少，可以忽略不计。从发射区扩散来的电子，大部分进入集电区，形成电流l\(_{cbo}\)只有很少一部分在基区与空穴复合。由于基区接电源正极，可以不断从电源中补充复合了的空穴，形成电流Ib1。

收集结加的是反向电压，所以基区、集电区之间少数载流子的漂移运动加强。由于基区载流子很少，少数载流子（电子）更少，所以漂移运动主要是集电区的少数载流子（空穴）流向基区，如图3小箭头所示。漂移运动形成的电流叫做I\(_{cbo}\)，即“集电极反向饱和电流”。Icbo的数值很小，而且与外加电压的大小关系不大，所以叫饱和电流。

从图3可以看出，基区复合电流是电子流。漂移电流是空穴流。由于电流方向规定得与电子流方向相反，而与空穴流的方向相同，所以I\(_{b1}\)的方向与Icbo的方向相反，而I\(_{c1}\)的方向与Icbo的方向相同。因此，基极电流I\(_{b}\)=Ib1-I\(_{cbo}\)，集电极电流Ic＝I\(_{c1}\)＋Icbo。

从以上分析可以看出，I\(_{c}\)与Ib比较，I\(_{c}\)很大，Ib很小。而且，由于晶体管制成后基区厚度已定，材料也定下来了，所以I\(_{c}\)与Ib在相当大的一个范围内总维持一个固定的比例关系。

从晶体管外电路看，例如从图3中A点看，由于A点不能存储电流，流入A点的电流必须等于从A点流出的电流，所以I\(_{e}\)＝Ib＋I\(_{c}\)。

由于I\(_{c}\)与Ib有一定的比例关系，而且I\(_{e}\)=Ib＋I\(_{c}\)，所以晶体管起一种电流分配器的作用，把发射极电流Ie按一定比例关系分成I\(_{c}\)和Ib，而且I\(_{c}\)远大于Ib。由于存在这种分配关系，所以只要使I\(_{b}\)略为增加（例如加大发射结正向电压），Ic就要增加很多，比I\(_{b}\)增加的量大很多倍。晶体管能够放大，就是利用这个特点。

为了从数量上说明，可以按图4电路连接方式，测量I\(_{e}\)、Ib、I\(_{c}\)的数值。每改变一次R,测一次Ie、I\(_{b}\)、Ic。测得的数值列成下表（表中数值是测3BX\(_{1}\)得出的）。

从表中可以看出，I\(_{b}\)从0.04增加到0.09时，Ic从0.96增加到1.91。I\(_{b}\)的增加量为0.09-0.04=0.05。Ic的增加量为1.91-0.96=0.95。这两个增加量的比值为0.950.05=19。也就是说I\(_{c}\)的增加量为Ib的增加量的19倍。也可以说，I\(_{c}\)的变化把Ib的变化放大到19倍。

如果把图4中的R换成一个信号源，如图5所示。很明显，I\(_{b}\)随信号源的电压变化而变化，Ic也变化，而且I\(_{c}\)的变化把Ib的变化放大很多倍。这样，就可以通过晶体管放大信号，做成放大器。

晶体管的参数，就是说明晶体管特性的数据。设计晶体管电路，选用晶体管，都要以这些数据作依据。晶体管参数有几种体系，名目繁多。这里只介绍几种主要的参数。

电流放大系数。在静态情况下，也就是在外加电压不变化的情况下，晶体管的电流放大系数，就是I\(_{c}\)与Ib的比值。一般用符号β-代表（β为希腊字母，念作“贝塔”）。因此，β-=\(\frac{I}{_{c}}\)Ib

在动态情况下，也就是在接有交流信号源的情况下，电流放大系数为晶体管集电极电流I\(_{c}\)的变化量与基极电流Ib的变化量的比值。一般用符号Δ(Δ为希腊字母，念作“德尔塔”）代表变化量，所以I\(_{c}\)的变化量可用ΔIc表示，I\(_{b}\)的变化量可用ΔIb表示。β代表动态电流放大系数。因此，β=\(\frac{I}{_{c}}\)Ib

晶体管的β值，在I\(_{c}\)很小（例如几十微安）时，或者在Ic很大（接近规定的最大工作电流）时，都比较小，但在I\(_{c}\)=1毫安以上相当大的范围内，小功率管的β值都比较大，而且基本上数值不变。一般晶体管的β值在20至100之间。 β-与β的数值近似，在估算时，常用β-代替β。

集电极反向饱和电流I\(_{cbo}\)。Icbo上面已说过，是集电区到基区的漂移电流。I\(_{cbo}\)受温度影响大。在室温情况下，小功率锗管的Icbo约为10微安左右，硅管的I\(_{cbo}\)小于1激安。

I\(_{cbo}\)的大小，标志晶体管的质量。良好的晶体管，Icbo应当很小。

穿透电流I\(_{ceo}\)。穿透电流Iceo是在基极开路的情况下，发射结加正向电压、收集结加反向电压时流过晶体管的电流。

从图6可以看出、发射极接电源负极、集电极接电源正极时，由于U\(_{c}\)>Ub＞U\(_{e}\)，所以收集结加的是反向电压，发射结加的是正向电压（图中十一号标示的是外加电压的极性）。收集结漂移运动加强，集电区的少数载流子（N型材料为空穴）向基区漂移，形成的电流即Icbo基区由于载流子极少，少数载流子（P型材料为电子）更少，可以忽略不计。发射结扩散运动加强，发射区电子向基区扩散，在基区的情况与上节《晶体管导电分析》中说的相似：大部分通过基区进入集电区，只有少部分在基区与空穴复合。由于基极开路，没有基极电流，I\(_{b}\)=0。因此，在基区参与复合的电子与从集电区漂移过来的空穴数量应相同。上面已说过，从集电区漂移来的空穴形成电流Icbo，所以参与复合的电子流也应等于I\(_{cbo}\)，这样，才能满足Ib=0的条件。因此，从发射区扩散的电子，不断从电源得到补充，形成发射极电流，在图6中发射极电流即I\(_{ceo}\)。这个电流经过基极后，留下与漂移电流Icbo相等的一部分，其余进入集电区。按照晶体管电流分配的原则，进入集电区的部分与留在基区的部分有一定的比例关系，这两部分的比值，即β值。所以进入集电区的部分即为βI\(_{cbo}\)。在集电区，Icbo是空穴流，βI\(_{cbo}\)是电子流，它们形成的电流方向相同（注意：电流方向规定为电子流的反向，而为空穴流的同向），所以集电极电流为βIcbo+I\(_{cbo}\)。这样，相当于Iceo在基区留下一个I\(_{cbo}\)部分，在集电区又加上一个Icbo部分，又恢复I\(_{ceo}\)原来的数量，因此集电极电流等于Iceo=βI\(_{cbo}\)＋Icbo,或者I\(_{ceo}\)=（1＋β）Icbo。

穿透电流也是表示晶体管质量的参数。I\(_{ceo}\)是Icbo的（1十β)倍，影响比I\(_{cbo}\)更大些。良好的晶体管，Iceo应当很小。

极限参数。极限参数，就是为保证晶体管正常工作而规定的最大容许数据。

1．集电极最大容许电流I\(_{cm}\)。上面说过，集电极电流Ic超过一定数值后，β显著减小。I\(_{cm}\)就是根据这个数值规定的。

2．集电极一发射极击穿电压BU\(_{ceo}\)。在基极开路时，允许加在集电极与发射极之间的最大电压。如果超过这个电压，晶体管就要击穿损坏。

3．集电极一基极反向击穿电压BU\(_{cbo}\)。在发射极开路时，允许加在集电极一基极间的最大反向电压。超过这个电压，收集结将击穿，损坏晶体管。

4. 集电极最大耗散功率P\(_{cm}\)。集电极电流，在晶体管内要产生热量。如果这个热量不散掉，温度就会升高。温度升高后，影响半导体的导电性能，超过一定温度后会破坏晶体管的正常工作。为了保证晶体管正常工作，就要规定晶体管产生的热量，不超过一定数值。一般不直接规定热量数值，而是规定功率数值。因为功率与热有一定比例关系。功率一般用P表示，等于电流I（单位为安）乘以电压U（单位为伏），即P=IU，单位为瓦。晶体管功率一般很小，用瓦作单位太大，所以采用千分之一瓦（即毫瓦）作单位。例如3DG4型晶体管的集电极最大耗散功率Pcm规定为300毫瓦。