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1 基本介紹
雙極性晶體管（英語：bipolar transistor），全稱雙極性結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極管，是一種具有三個(gè)終端的電子器件。雙極性晶體管是電子學(xué)歷史上具有革命意義的一項(xiàng)發(fā)明，其發(fā)明者威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·布喇頓被授予了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
這種晶體管的工作，同時(shí)涉及電子和空穴兩種載流子的流動(dòng)，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場(chǎng)效應(yīng)管的單極性晶體管不同，后者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區(qū)域之間的邊界由PN結(jié)形成。
雙極性晶體管由三部分摻雜程度不同的半導(dǎo)體制成，晶體管中的電荷流動(dòng)主要是由于載流子在PN結(jié)處的擴(kuò)散作用和漂移運(yùn)動(dòng)。以NPN晶體管為例，按照設(shè)計(jì)，高摻雜的發(fā)射極區(qū)域的電子，通過擴(kuò)散作用運(yùn)動(dòng)到基極。在基極區(qū)域，空穴為多數(shù)載流子，而電子少數(shù)載流子。由于基極區(qū)域很薄，這些電子又通過漂移運(yùn)動(dòng)到達(dá)集電極，從而形成集電極電流，因此雙極性晶體管被歸到少數(shù)載流子設(shè)備。
雙極性晶體管能夠放大信號(hào)，并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力，所以它常被用來構(gòu)成放大器電路，或驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，并被廣泛地應(yīng)用于航空航天工程、醫(yī)療器械和機(jī)器人等應(yīng)用產(chǎn)品中。
2 工作原理
晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。
NPN管它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。
在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于由于發(fā)射結(jié)正偏,，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）極基區(qū)的多數(shù)載流子（控穴）很容易地截越過發(fā)射結(jié)構(gòu)互相向反方各擴(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流Ie。由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)給，從而形成了基極電流Ibo根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic這就是說，在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：β1=Ic/Ib式中：β--稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β=△Ic/△Ib式中β--稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時(shí)β1和β的數(shù)值相差不大，所以有時(shí)為了方便起見，對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分，β值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?br/>3 功能作用
三極管是一種控制元件，主要用來控制電流的大小，以共發(fā)射極接法為例（信號(hào)從基極輸入，從集電極輸出，發(fā)射極接地），當(dāng)基極電壓UB有一個(gè)微小的變化時(shí)，基極電流IB也會(huì)隨之有一小的變化，受基極電流IB的控制，集電極電流IC會(huì)有一個(gè)很大的變化，基極電流IB越大，集電極電流IC也越大，反之，基極電流越小，集電極電流也越小，即基極電流控制集電極電流的變化。但是集電極電流的變化比基極電流的變化大得多，這就是三極管的放大作用。IC 的變化量與IB變化量之比叫做三極管的放大倍數(shù)β（β=ΔIC/ΔIB, Δ表示變化量。），三極管的放大倍數(shù)β一般在幾十到幾百倍。
三極管在放大信號(hào)時(shí)，首先要進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，即要先建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，也叫建立偏置 ，否則會(huì)放大失真。
在三極管的集電極與電源之間接一個(gè)電阻，可將電流放大轉(zhuǎn)換成電壓放大：當(dāng)基極電壓UB升高時(shí)，IB變大，IC也變大，IC 在集電極電阻RC的壓降也越大，所以三極管集電極電壓UC會(huì)降低，且UB越高，UC就越低，ΔUC=ΔUB。
4 主要參數(shù)
1、直流參數(shù)
?。?）集電極一基極反向飽和電流Icbo，發(fā)射極開路（Ie=0)時(shí)，基極和集電極之間加上規(guī)定的反向電壓Vcb時(shí)的集電極反向電流，它只與溫度有關(guān)，在一定溫度下是個(gè)常數(shù)，所以稱為集電極一基極的反向飽和電流。良好的三極管，Icbo很小，小功率鍺管的Icbo約為1～10微安，大功率鍺管的Icbo可達(dá)數(shù)毫安，而硅管的Icbo則非常小，是毫微安級(jí)。
?。?）集電極一發(fā)射極反向電流Iceo(穿透電流）基極開路（Ib=0）時(shí)，集電極和發(fā)射極之間加上規(guī)定反向電壓Vce時(shí)的集電極電流。Iceo大約是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)IcbooIcbo和Iceo受溫度影響極大，它們是衡量管子熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，其值越小，性能越穩(wěn)定，小功率鍺管的Iceo比硅管大。
?。?）發(fā)射極---基極反向電流Iebo集電極開路時(shí)，在發(fā)射極與基極之間加上規(guī)定的反向電壓時(shí)發(fā)射極的電流，它實(shí)際上是發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。
?。?）直流電流放大系數(shù)β1（或hEF）這是指共發(fā)射接法，沒有交流信號(hào)輸入時(shí)，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即：β1=Ic/Ib
2、交流參數(shù)
?。?）交流電流放大系數(shù)β（或hfe）這是指共發(fā)射極接法，集電極輸出電流的變化量△Ic與基極輸入電流的變化量△Ib之比，即：β=△Ic/△Ib一般晶體管的β大約在10-200之間，如果β太小，電流放大作用差，如果β太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩(wěn)定。
?。?）共基極交流放大系數(shù)α（或hfb）這是指共基接法時(shí)，集電極輸出電流的變化是△Ic與發(fā)射極電流的變化量△Ie之比，即：α=△Ic/△Ie因?yàn)椤鱅c＜△Ie，故α＜1。高頻三極管的α＞0.90就可以使用α與β之間的關(guān)系：α=β/（1+β）β=α/（1-α）≈1/（1-α）
?。?）截止頻率fβ、fα當(dāng)β下降到低頻時(shí)0.707倍的頻率，就是共發(fā)射極的截止頻率fβ；當(dāng)α下降到低頻時(shí)的0.707倍的頻率，就是共基極的截止頻率fαofβ、fα是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關(guān)系為：fβ≈（1-α）fα
?。?）特征頻率fT因?yàn)轭l率f上升時(shí)，β就下降，當(dāng)β下降到1時(shí)，對(duì)應(yīng)的fT是全面地反映晶體管的高頻放大性能的重要參數(shù)。
3、極限參數(shù)
（1）集電極最大允許電流ICM當(dāng)集電極電流Ic增加到某一數(shù)值，引起β值下降到額定值的2/3或1/2，這時(shí)的Ic值稱為ICM。所以當(dāng)Ic超過ICM時(shí)，雖然不致使管子損壞，但β值顯著下降，影響放大質(zhì)量。
（2）集電極----基極擊穿電壓BVCBO當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向擊穿電壓稱為BVEBO。
?。?）發(fā)射極-----基極反向擊穿電壓BVEBO當(dāng)集電極開路時(shí)，發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓稱為BVEBO。
?。?）集電極-----發(fā)射極擊穿電壓BVCEO當(dāng)基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，使用時(shí)如果Vce＞BVceo，管子就會(huì)被擊穿。
?。?）集電極最大允許耗散功率PCM集電流過Ic，溫度要升高，管子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過允許值時(shí)的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實(shí)際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce×Ic.使用時(shí)慶使Pc＜PCM。PCM與散熱條件有關(guān)，增加散熱片可提高PCM。
5 特性曲線
1、輸入特性其特點(diǎn)是：
1）當(dāng)Uce在0-2伏范圍內(nèi)，曲線位置和形狀與Uce有關(guān)，但當(dāng)Uce高于2伏后，曲線Uce基本無關(guān)通常輸入特性由兩條曲線（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。
2）當(dāng)Ube＜UbeR時(shí)，Ib≈O稱（0～UbeR)的區(qū)段為“死區(qū)”當(dāng)Ube＞UbeR時(shí)，Ib隨Ube增加而增加，放大時(shí)，三極管工作在較直線的區(qū)段。
3）三極管輸入電阻，定義為:rbe=(△Ube/△Ib)Q點(diǎn)，其估算公式為：rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏）rb為三極管的基區(qū)電阻，對(duì)低頻小功率管，rb約為300歐。
2、輸出特性
輸出特性表示Ic隨Uce的變化關(guān)系（以Ib為參數(shù)），它分為三個(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。截止區(qū)當(dāng)Ube＜0時(shí)，則Ib≈0，發(fā)射區(qū)沒有電子注入基區(qū)，但由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，集電集仍有小量電流通過，即Ic=Iceo稱為穿透電流，常溫時(shí)Iceo約為幾微安，鍺管約為幾十微安至幾百微安，它與集電極反向電流Icbo的關(guān)系是：Icbo=(1+β)Icbo常溫時(shí)硅管的Icbo小于1微安，鍺管的Icbo約為10微安，對(duì)于鍺管，溫度每升高12℃，Icbo數(shù)值增加一倍，而對(duì)于硅管溫度每升高8℃，Icbo數(shù)值增大一倍，雖然硅管的Icbo隨溫度變化更劇烈，但由于鍺管的Icbo值本身比硅管大，所以鍺管仍然受溫度影響較嚴(yán)重的管，放大區(qū)，當(dāng)晶體三極管發(fā)射結(jié)處于正偏而集電結(jié)于反偏工作時(shí)，Ic隨Ib近似作線性變化，放大區(qū)是三極管工作在放大狀態(tài)的區(qū)域。飽和區(qū)當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏狀態(tài)時(shí)，Ic基本上不隨Ib而變化，失去了放大功能。根據(jù)三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)偏置情況，可能判別其工作狀態(tài)。
截止區(qū)和飽和區(qū)是三極管工作在開關(guān)狀態(tài)的區(qū)域，三極管和導(dǎo)通時(shí)，工作點(diǎn)落在飽和區(qū)，三極管截止時(shí)，工作點(diǎn)落在截止區(qū)。