1.3 晶体三极管

英文简称 BJT ，用字母 T 表示。

分类

材料 ：硅管，锗管

结构 ：NPN，PNP

使用频率 ：低频管，高频管

功率 ：小功率管（<500mW），中功率管（0.5~1W），大功率管（>1W）

结构

以 NPN 型 为例

上层的 N 区为发射区，掺杂浓度高；

中间的 P 区称为基区，很薄且掺杂浓度低；

下层的 N 区为集电区，面积很大；

他们所引出的三个电极分别为发射极 e，基极 b，集电极 c。

两种三极管的符号分别为

原理

三种组态

共发射极（CE）

$V_{BB}$ 为输入电压信号，接入基极 - 发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极 - 发射极回路，称为输出回路，e 点（发射极）为公共端，故也称作 共射放大电路 。

共集电极（CC）

共基极（CB）

晶体管的放大条件

内部条件：

• 发射区掺杂浓度最高：便于发射载流子
• 基区薄且掺杂浓度低
• 集电区掺杂浓度较高
• 集电结面积大：便于收集载流子

外部条件

• 发射结正偏
• 集电结反偏

由以上条件可知，输入回路需加基极电源 $V_{BB}$，输出回路需加集电极电源 $V_{CC}$ 且 $V_{CC}>V_{BB}$

晶体管内部载流子的运动

在 $V_{BB}$ 作用下，发射结正偏，电子由发射区向基区移动形成电流 $I_{EN}$，空穴反之形成电流 $I_{BP}$（极微弱）。以发射区向基区注入多子的过程为主。

$$I_E=I_{EN}+I_{BP}\approx I_{EN}$$

由于基极很薄，所以只有极少数电子与空穴复合，形成电流 $I_{BN}$ 是形成基极电流的主体。

剩余的多数电子未被复合，向集电结扩散并到达集电极形成电流 $I_{CN}$，是形成集电极电流 $I_C$ 的主体。

由于集电结反偏，少数载流子会由于电场作用产生漂移，形成漂移电流 $I_{CBO}$（常忽略）。

基区空穴由 $I_B$ 和 $I_{CBO}$ 形成。

$$I_B=I_{BN}+I_{BP}-I_{CBO}\approx I_{BN}-I_{CBO}\approx I_{BN}$$

电流分配关系

$$\begin{array}{c}{I}_{CN}=I_C-I_{CBO}\\ I_{BN}=I_B+I_{CBO}\\ I_E=I_{EN}+I_{BP}\approx I_{EN}\end{array}$$

共射电路

有如下关系

$$\begin{array}{c}\overline{\beta }=\frac{I_{CN}}{I_{BN}}=\frac{I_C-I_{CBO}}{I_B+I_{CBO}}\\ I_C=\overline{\beta }{I}_B+(1+\overline{\beta })I_{CBO}=\overline{\beta }{I}_B+I_{CEO}\end{array}$$

其中，$\overline{\beta }$ 为共射直流放大系数，$I_{CEO}$ 为穿透电流。

NOTE

常温下，$(1+\overline{\beta })I_{CBO}$ 和 $I_{CEO}$ 数值很小，可以忽略不计。但它们对温度敏感。

忽略以上次要因素有

$$\begin{array}{c}{I}_E=I_C+I_B\\ I_C=\overline{\beta }{I}_B\\ I_E=(1+\overline{\beta })I_B\end{array}$$

数值上 $I_C$ 接近且小于 $I_E$ 且远大于 $I_B$。

NOTE

$I_B$ 控制闸门开度，即 $I_C$ 受 $I_B$ 控制：$I_C=\beta I_B$

若有输入电压 $\mathrm{\Delta }u$ 作用

$$\beta =\frac{\mathrm{\Delta }{i}_C}{\mathrm{\Delta }{i}_B}$$

其中 $\beta$ 称作共射交流放大系数。

集电极总电流

$i_C=I_C+\mathrm{\Delta }{i}_C=\overline{\beta }{I}_B+I_{CEO}+\beta \mathrm{\Delta }{i}_B\approx \overline{\beta }{I}_B+\beta \mathrm{\Delta }{i}_B$

在 $|\mathrm{\Delta }{i}_B|$ 不太大的情况下，有 $\beta \approx \overline{\beta }$

共基电路

以发射极电流作为输入电流，集电极电流作为输出电流

$$\overline{\alpha }=\frac{I_{CN}}{I_E}$$

其中 $\overline{\alpha }$ 称作共基直流电流放大系数，则有

$$\begin{array}{c}{I}_C=\overline{\alpha }{I}_E+I_{CBO}\\ \overline{\beta }=\frac{\overline{\alpha }}{1-\overline{\alpha }}\\ \overline{\alpha }=\frac{\overline{\beta }}{1+\overline{\beta }}\end{array}$$

叠加交流电

$$\alpha =\frac{\mathrm{\Delta }{i}_C}{\mathrm{\Delta }{i}_E}=\frac{\beta }{1+\beta }$$

其中 $\alpha \approx \bar \alpha $

理想晶体管 —— 没有穿透电流，且 $\beta$ 处处相等（此时 $ \overline\beta=\beta$）

NPN 型三极管的三种工作状态

放大状态

发射结正偏，集电结反偏。

$$V_C>V_B>V_E$$

特点

• $I_B$ 变化会引起 $I_C$ 大变化：$I_C=\beta I_B$
• $0<U_{CE}<U_{CC}$
• $U_{CE}=U_{CC}-R_C{I}_C$
• 相当于通路

NOTE

对于 PNP 型，有 $V_C<V_B<V_E$

饱和状态

发射结正偏，集电结正偏

$$\begin{array}{c}{V}_B>V_E\\ V_B>V_C\end{array}$$

特点

• $I_B$ 增大，$I_C$ 变化量不大
• $U_{CE}\approx 0$
• $I_C\approx \frac{U_{CC}}{R_C}$
• 相当于短路

截止状态

发射结反偏，集电结反偏

$$V_B<V_E$$

特点

• $I_B=I_C=0$
• $U_{CE}=U_{CC}$
• 相当于开路

输入输出特性

用特性曲线描述各电极间伏安特性关系，确定工作状态 和 分析与计算。

输入特性曲线

$0<U_{CE}<1V$ 时曲线右移：集电结开始吸引电子

$U_{CE}⩾1V$ 时，曲线基本不变：电流分配关系确定

WARNING

温度下降也会导致曲线右移

输出特性曲线

截止区：

• 两个 PN 结反偏

• $I_B⩽0$

• $I_C=I_{CEO}=0$

饱和区：

• $U_{CE}⩽U_{BE}$
• $U_{CB}=U_{CE}-U_{BE}⩽0$
• 两个 PN 结正偏
• 深度饱和时 $U_{CES}=$
  • $0.3V$ 硅管
  • $0.1V$ 锗管
• 临界饱和时 $U_{CE}=U_{BE}$

放大区：

• $I_C=\overline{\beta }{I}_B$
• 发射结正偏，集电结反偏
• 图像水平、等间隔