双极型半导体三极管的相关知识

半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管， 二是场效应半导体三极管
　　双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是一种CCCS器件。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。
2.1 双极型半导体三极管
2.1.1 双极型半导体三极管的结构
　　双极型半导体三极管的结构示意图如图02.01所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示（Base）；
一侧称为发射区，相连电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；
另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。
E-B间的PN结称为发射结（Je），
C-B间的PN结称为集电结（Jc）。

图02.01 两种极性的双极型三极管

　　双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。
2.1.2 双极型半导体三极管的电流分配与控制
双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系， 见图02.02。

图02.02 双极型三极管的电流传输关系

　　发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。
　　进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是 IBN。
另外，因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式：
IE= IEN＋ IEP 且有IEN>>IEP
IEN=ICN+ IBN 且有IEN>> IBN ， ICN>>IBN
IC=ICN+ ICBO
IB=IEP+ IBN－ICBO
IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)=IC+IB
　　以上关系在图02.02的动画中都给予了演示。由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。

2.1.3 双极型半导体三极管的电流关系
(1) 三种组态
双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图02.03。
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；
共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；
共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。

图02.03 三极管的三种组态

(2) 三极管的电流放大系数
　　对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:

　　称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1, 但接近1。由此可得：

称为共发射极接法直流电流放大系数。于是

2.1.4 双极型半导体三极管的特性曲线
　　本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即

　　这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。
iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。
iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。
共发射极接法的供电电路和电-压电流关系如图02.04所示。

图02.04 共发射极接法的电压-电流关系

（1）输入特性曲线
　　简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。vCE的影响，可以用三极管的内部的反馈作用解释，即vCE对iB的影响。
共发射极接法的输入特性曲线见图02.05。其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE≥1V时， vCB= vCE - vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。

图02.05 共发射极接法输入特性曲线

　　输入特性曲线的分区：死区、非线性区、线性区。
（2）输出特性曲线
　　共发射极接法的输出特性曲线如图02.06所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明,当vCE=0 V时,因集电极无收集作用,iC=0。当vCE微微增大时，发射结虽处于正向电压之下,但集电结反偏电压很小,如vCE< 1 V；vBE=0.7 V； vCB= vCE- vBE≤0.7 V 。集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如vCE ≥1 V， vBE ≥0.7 V，运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的) 。
输出特性曲线可以分为三个区域
饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE＜0.7 V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。
截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。
放大区——iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管)

图02.06 共发射极接法输出特性曲线（动画2-2）

2.1.5 半导体三极管的参数
半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。
(1) 直流参数
① 直流电流放大系数
1.共发射极直流电流放大系数 ）ICBO
相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值，如图02.09所示。

图02.09 ICEO在输出特性曲线上的位置

(2) 交流参数
① 交流电流放大系数
1.共发射极交流电流放大系数?

在放大区， B值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线求取△IC/△IB。或在图02.08上通过求某一点的斜率得到?。具体方法如图02.10所示。

2.共基极交流电流放大系数α

当ICBO和ICEO很小时，可以不加区分。
② 特征频率fT
三极管的?值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的?将会下降。当?下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。
(3) 极限参数
① 集电极最大允许电流ICM
如图02.08所示，当集电极电流增加时，? 就要下降，当?值下降到线性放大区?值的70～30％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于?值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。
② 集电极最大允许功率损耗PCM
集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICVCB≈ICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。
③ 反向击穿电压
反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图02.11所示。


图02.11 三极管击穿电压的测试电路

1. V(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，C、B代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。
2. V(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。
3. V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。
对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系：
V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO
由最大集电极功率损耗PCM、ICM和击穿电压V(BR)CEO，在输出特性曲线上还可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见图02.12。

图02.12 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区

2.1.6 半导体三极管的型号