2.1　半导体晶体管

半导体晶体管简称晶体管，具有放大作用，应用极为广泛。按照工作时的导电机理不同可分为双极型晶体管和单极型晶体管两大类。双极型晶体管（BJT）其内部有自由电子和空穴两种载流子参与导电。单极型晶体管通常称为场效应晶体管（FET），其内部只有一种载流子（自由电子，或者空穴）参与导电。本节主要讨论双极型晶体管的基本特性。场效应晶体管的基本特性将在第3章中讨论。

2.1.1　晶体管的结构及分类

1.晶体管的内部结构及其在电路中的符号

半导体晶体管是在一块半导体（硅或锗）材料上掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出3个电极即可得到晶体管，按PN结组合方式的不同，可得到NPN和PNP两种类型的晶体管，其结构示意图和在电路中的图形符号如图2.1所示。

由图2.1可见，无论是NPN型或是PNP型晶体管，它们均有3个区，即发射区——发射载流子的区域；基区——传输载流子的区域；集电区——收集载流子的区域。各区引出的3个电极分别称为发射极（E极，Emitter）、基极（B极，Base）和集电极（C极，Collector）。同时，在相应两个区的交界处，形成两个PN结，发射区和基区交界处形成的PN结叫发射结，基区和集电区交界处形成的PN结叫集电结。

图形符号中发射极箭头的方向，表示发射结加正向电压时发射极的电流实际方向，NPN型和PNP型发射极电流的方向相反。

2.晶体管的分类

晶体管的种类很多，有下列5种分类形式：

①按其制作材料划分：可分为硅管和锗管。由于硅管受温度影响较小、工作稳定，在自动控制设备中常采用硅管。

②按其结构类型划分：可分为NPN型管和PNP型管。目前我国制造的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。

③按其工作频率划分：可分为高频管（工作频率不低于3MHz）和低频管（工作频率低于3MHz）。

④按其功率大小划分：可分为大功率管、中功率管和小功率管（耗散功率低于1W）。

⑤按其工作状态划分：可分为放大管（晶体管工作在放大区）和开关管（晶体管工作在截止区或饱和区，一般应用在数字电路中）。

2.1.2　晶体管的放大作用

从晶体管的内部结构上看，相当于两个二极管背靠背地串联在一起。但是，当简单地将单独的两个二极管按上述关系串联起来时，会发现它们并不具备放大作用。这是为什么？其主要原因是：晶体管要实现放大，必须要有内部和外部条件做保证。下面以NPN型晶体管为例，来讨论晶体管的放大作用。

1.晶体管放大时必须具备的内部条件

①发射区进行高渗杂，因而其中的多数载流子浓度很高。NPN型晶体管的发射区为N型，其中的多数载流子是电子，所以电子的浓度高。

②基区做得很薄，通常只有几微米到几十微米，而且掺杂比较少，则基区中多数载流子的浓度低。NPN型晶体管的基区为P型，故其中的多数载流子空穴的浓度很低。

③集电极面积大，以保证尽可能收集到发射区发射的电子。

上述内部结构的特点是晶体管正常工作的需要，也就是说只有具备了上述内部结构特点的晶体管，在满足外部条件时才可能具有电流放大作用。

2.晶体管放大时必需的外部条件

①必须给晶体管设置静态工作点（无信号输入时，晶体管中必须存在合适的IB、IC和UCE）。

②所设置的静态工作电压，必须保证晶体管的发射结加正向工作电压（即发射结正偏），集电结加反向工作电压（即集电结反偏）。

3.晶体管内部载流子的传输过程

在满足上述内部和外部条件后，晶体管就具备了放大信号的作用，其内部载流子的运动有以下3个过程：

（1）发射区向基区发射电子的过程

由于发射结正偏，因而外加电场有利于多数载流子的扩散运动。又因为发射区的多数载流子——电子的浓度很高，于是发射区发射出大量的电子。这些电子越过发射结到达基区，形成电子电流。因为电子带负电，所以电子电流的方向与电子流动的方向相反，如图2.2所示。与此同时，基区中的多数载流子——空穴也向发射区扩散而形成空穴电流，由于基区中空穴的浓度比发射区中电子的浓度低得多，因此与电子电流相比，空穴电流可以忽略，可以认为IE主要由发射区发射的电子电流所产生。为了保持发射区内载流子浓度的平衡，由外接电源VCC和VBB经过发射极向发射区补充电子，便形成了发射极电流IE。

（2）电子在基区扩散和复合的过程

电子到达基区后，因为基区为P型，其中的多子是空穴，所以从发射区扩散过来的电子和空穴产生复合运动而形成基极电流IBN，基区被复合掉的空穴由外电源VBB不断进行补充。但是，基区空穴的浓度比较低，而且基区很薄，所以到达基区的电子与空穴复合的机会很少，因而基极电流IBN比发射极电流IE小得多。大多数电子在基区中继续扩散，到达靠近集电结的一侧。

（3）电子被集电区收集的过程

由于集电结反偏，使其耗尽层加宽，内电场增强，因此大量没有被复合的电子扩散到集电结的边沿，在强电场的作用下，越过集电结到达集电区。为了保持集电区内载流子浓度的平衡，外电源VCC使大量电子经过集电极释放，便形成了集电极电流ICN。

以上分析了晶体管中载流子运动的主要过程。此外，由于集电结反偏，引起集电区与基区之间少数载流子的定向运动，形成了反向饱和电流ICBO。ICBO取决于少数载流子的浓度，它的数值很小，但受温度影响很大，容易使晶体管工作不稳定。ICBO越小，晶体管的稳定性越好。

由图2.2可见，集电极电流IC由两部分组成：发射区发射的电子被集电极收集后形成的电流ICN，以及集电区和基区的少子进行漂移运动而产生的反向饱和电流ICBO，即

IC=ICN+ICBO　　（2.1.1）

基极电流也包括两部分：发射区扩散过来的电子和空穴复合而形成基极电流IBN，以及集电区和基区的少子进行漂移运动而产生的反向饱和电流ICBO，但两者方向相反，即

IB=IBN-ICBO　　（2.1.2）

发射极电流也包括两部分：

IE=ICN+IBN=IC+IB　　（2.1.3）

当基极电流改变时，发射区注入载流子数将随之改变，从而使集电极电流IC产生相应的变化，由于IB≪IC，因此IB很小的变化就能引起IC较大的改变，这就是晶体管的电流放大作用。通常用集电极电流IC与基极电流IB的比值来反映晶体管的放大能力，即

这就是晶体管的直流放大作用，式中 称为晶体管的直流电流放大系数。

上述分析表明，晶体管在发射结正偏、集电结反偏时具有电流放大作用。电流放大的本质是输入端基极电流IB对输出端集电极电流IC的控制作用，因此，晶体管是一种电流控制型器件。

对于PNP型管，3个电极产生的电流方向正好和NPN型管相反。其内部载流子的运动情况读者可自行分析。

2.1.3　晶体管的伏安特性

为了能直观、全面地了解和掌握晶体管各电极之间电流与电压的关系，正确使用晶体管，必须了解晶体管的特性曲线。晶体管的特性曲线是指各电极之间电压与电流之间的关系曲线。下面以晶体管共发射极放大电路为例分析其伏安特性。

将图2.2改画成图2.3所示电路。图中基极与发射极是信号输入端，集电极与发射极是信号输出端，发射极是输入与输出回路的公共端，这种放大电路称为共发射极放大电路。

1.输入特性曲线

晶体管的输入特性曲线是指当集电极-发射极电压uCE一定时，输入回路中基极-发射极之间的电压uBE与基极电流iB之间的关系曲线，即

实际测得的NPN型硅晶体管的输入特性曲线如图2.4（a）所示。由图可知，当uCE为1V时的输入特性曲线比uCE为0V的曲线向右移动了一段距离，即当uCE增大时曲线向右移，但当uCE大于1V后，曲线右移距离很小，可以近似认为与uCE为1V时的曲线重合，所以图2.4（a）只画出两条曲线。在实际使用中uCE总是大于1V的。同时由图可知，只有当uBE大于0.5V后，iB才随uBE的增大而迅速增大，uBE=0.5V称为死区电压。正常工作时管压降uBE为0.6～0.8V，通常取0.7V，通常称为晶体管的导通压降。对于锗管，死区电压约为0.1V，正常工作时的导通压降的值为0.2～0.3V。

2.输出特性曲线

输出特性曲线是反映晶体管输出回路电压与电流关系的曲线，是指基极电流iB为定值时，集电极电流iC与集电极电压uCE之间的关系曲线，即

实际测得的NPN型硅晶体管的输出特性曲线如图2.4（b）所示，当iB改变时，可得一组曲线，由图可见，输出特性曲线可分为截止区、饱和区、放大区3个区域。

①截止区：当发射结的电压小于死区电压时，晶体管处于截止状态，这时iB=0，则iB=0的特性曲线以下区域称为截止区。在这个区域中，集电结处于反偏，发射结也处于反偏或零偏。集电极电流iC很小，等于反向穿透电流ICEO，一般硅晶体管的穿透电流很小，通常小于1μA，所以在输出特性曲线上无法表示出来。而锗晶体管的穿透电流较大，约为几十至几百微安。可以认为当发射结反向偏置时，发射区不再向基区注入电子，则晶体管处于截止状态。晶体管工作在截止区时，电路中犹如一个断开的开关。对于NPN型晶体管来说，此时uBE<0，uBC<0。

②饱和区：特性曲线靠近纵轴的区域是饱和区。当uCE<uBE时，发射结、集电结均处于正偏。在饱和区iB增大，iC几乎不再增大，晶体管失去放大作用。规定uCE=uBE时的状态称为临界饱和状态，用UCES表示。一般小功率硅晶体管的饱和压降UCES<0.4V（硅管约为0.3V，锗管约为0.1V），大功率晶体管的UCES为1～3V。在理想条件下UCES≈0，晶体管C、E之间相当于短路状态，晶体管在电路中犹如一个闭合的开关。由图2.3可得集电极临界饱和电流为

基极临界饱和电流为

当集电极电流IC>ICS时，认为晶体管已处于饱和状态；当IC<ICS时，晶体管处于放大状态。

③放大区：特性曲线近似水平直线的区域为放大区。在这个区域里发射结正偏，集电结反偏。其特点是iC的大小受iB的控制，即

ΔiC=βΔiB　　（2.1.9）

式（2.1.9）体现了晶体管的电流放大作用，在放大区β约等于常数，iC几乎按一定比例等距离平行变化。由于iC只受iB的控制，几乎与uCE的大小无关。特性曲线反映出恒流源的特点，即晶体管可看作受基极电流控制的受控恒流源。对于NPN型晶体管来说，uBE>0，而uBC<0。

以上介绍了晶体管的输入特性和输出特性。实际应用中选用晶体管的主要依据就是晶体管的特性曲线和参数。各种型号晶体管的特性曲线可以从半导体器件手册中查询得到，也可以实测得到。除了逐点测试以外，还可以利用晶体管特性图示仪测量。

2.1.4　晶体管的主要参数

晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能的指标，是评价晶体管的优劣和选用晶体管的依据，也是计算和调整晶体管电路时必不可少的根据。主要参数有：

1.电流放大系数

晶体管的电流放大系数是表征晶体管放大作用大小的参数。

（1）共发射极电流放大系数

直流电流放大系数为

有时用hFE表示。

交流电流放大系数β定义为集电极电流的变化量ΔiC与基极电流的变化量ΔiB之比，即

β有时用hfe表示。

上述两个电流放大系数含义虽不同，但工作于输出特性曲线的放大区域的平坦部分时，两者差异极小，故在估算时常认为。

（2）共基极电流放大系数

共基极接法是指输入回路和输出回路的公共端为基极。共基极直流电流放大系数定义为晶体管的集电极电流IC与发射极电流IE之比，即

共基极交流电流放大系数定义为集电极电流的变化量ΔiC与发射极电流的变化量ΔiE之比，即

2.极间反向饱和电流

（1）集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO

ICBO是指发射极开路时，流过集电极与基极的反向饱和电流。良好的晶体管的ICBO值很小，室温下，小功率硅晶体管的ICBO小于1μA，锗管的ICBO为几微安到几十微安。

（2）集电极和发射极之间的反向饱和电流ICEO

ICEO是指基极开路时，流过集电极与发射极的反向饱和电流。由于这一电流从集电极贯穿基区流至发射极，所以又称为穿透电流。它与ICBO的关系为

ICEO=（1+β）ICBO　　（2.1.13）

因为ICBO和ICEO都是由少数载流子的运动形成的，所以对温度非常敏感，当温度升高时，ICBO和ICEO均随温度的升高而增大。

3.极限参数

晶体管的极限参数是指使用时不得超过的限度，以保证晶体管的安全或保证晶体管参数变化不超过规定的允许值。若超过这些极限值，就有可能使晶体管性能变劣，甚至永久损坏。

（1）集电极最大允许电流ICM

当集电极电流过大时，晶体管的β值就要显著下降，甚至可能损坏。ICM表示β值下降到正常值2/3时的集电极电流。为保证晶体管的正常工作，通常要求iC<ICM。

（2）集电极最大允许耗散功率PCM

晶体管电流iC与电压uCE的乘积称为集电极耗散功率，这个功率导致集电结发热，温度升高。而晶体管的结温是有一定限度的，一般硅晶体管的最高结温为100～150℃，锗管的最高结温为70～100℃，超过这个限度，晶体管的性能就要变坏，甚至烧毁。因此，根据晶体管的允许结温确定出了集电极最大允许耗散功率PCM，工作时晶体管消耗功率必须小于PCM。

（3）极间反向击穿电压

极间反向击穿电压表示外加在晶体管各电极之间的最大允许反向电压，如果超过了这个限度，则晶体管的反向电流急剧增大，甚至可能被击穿而损坏。极间反向击穿电压主要有：

U（BR）CEO为基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压；U（BR）CBO为发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压；U（BR）EBO为集电极开路时，发射极与基极之间的反向击穿电压。

对于同一个晶体管，3个极间反向击穿电压的关系为：U（BR）CBO>U（BR）CEO>U（BR）EBO。

PCM、U（BR）CEO和ICM这3个极限参数决定了晶体管的安全工作区。由以上分析可知，晶体管工作时的uCE不应超过U（BR）CEO；iC不应超过ICM；PC不应超过PCM。因此，晶体管最好工作在由PCM、U（BR）CEO和ICM决定的安全工作区，如图2.5所示。

4.温度对晶体管参数的影响

几乎所有晶体管参数都与温度有关，因此不容忽视。温度对下列3个参数的影响最大：

（1）温度对ICBO的影响

ICBO是少数载流子形成的，与PN结的反向饱和电流一样，受温度影响很大。无论硅管或者锗管，作为工程上的估算，一般都按温度每升高10℃，ICBO增大一倍来考虑。

（2）温度对β的影响

温度升高时β随之增大。实验表明，对于不同类型的晶体管β随温度增长的情况是不同的，一般认为：以25℃时测得的β值为基数，温度每升高1℃，β增加0.5％～1％。

（3）温度对发射结电压uBE的影响

同二极管的正向特性一样，温度每升高1℃，|uBE|减小2～2.5mV。

因为ICEO=（1+β）ICBO，而iC=βiB+（1+β）ICBO，所以温度升高使集电极电流iC升高。换言之，集电极电流iC随温度变化而变化。

【例2.1】　如图2.6所示的电路中，晶体管均为硅管，β=30，试分析各晶体管的工作状态。

解：对于图2.6（a），因为基极偏置电源+6V，大于晶体管的导通电压，故晶体管的发射结正偏，晶体管导通。由图可知

IC=βIB=30×1.06mA=31.8mA

由式（2.1.7）求得临界饱和电流为

因为IC>ICS，所以晶体管工作在饱和区。

对于图2.6（b），因为基极偏置电源（-2V）小于晶体管的导通电压，故晶体管的发射结反偏，晶体管截止，所以晶体管工作在截止区。

对于图2.6（c），因为基极偏置电源（+2V）大于晶体管的导通电压，故晶体管的发射结正偏，晶体管导通，且有

IC=βIB=30×0.26mA=7.8mA

临界饱和电流为

因为IC<ICS，所以晶体管工作在放大区。