2.1 半导体晶体管
半导体晶体管又称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），简称晶体管。它是采用一定的生产工艺，将两个PN结紧密结合在一起的器件。单个PN结没有放大作用，由于晶体管独特的内部结构，使晶体管具有电流放大作用，这一特性使PN结的应用发生了质的飞跃。
2.1.1 晶体管的结构及符号
半导体晶体管有NPN和PNP两种类型，其结构示意图和电路符号如图2-1所示。在一块晶片（硅片或锗片）上用不同的掺杂方式制造出三个掺杂区，顺序称为发射区、基区和集电区。发射区和基区之间的PN结称为发射结，基区和集电区之间的PN结称为集电结。相对于三个区域分别引出三个电极，即发射极e（Emitter）、基极b（Base）和集电极c（Collector），再用外壳封装起来，便构成晶体管。
图2-1 晶体管的结构示意图和电路符号
a）结构示意图 b）电路符号
图2-1b中发射极的箭头方向表示发射结正向导通时实际电流的方向。从图上看，晶体管好像是两个反向串联的PN结。但是，把两个孤立的PN结，例如两个二极管反向串联起来并不具有放大作用。作为一个放大器件，晶体管具有特殊的内部结构。首先，发射区掺杂浓度很高，即发射结为P+N结或N+P结；其次，基区必须很薄；第三，集电结结面积很大，以利于收集载流子。
两种晶体管的工作原理是相同的，本节以NPN型硅管为例讲述晶体管的工作原理、特性曲线和主要参数。
2.1.2 晶体管的工作原理
1.晶体管的PN结偏置
为使晶体管正常工作，必须给晶体管的两个PN结加上合适的直流电压。因为每个PN结可有两种偏置方式（正偏和反偏），所以两个PN结共有4种偏置方式，从而导致晶体管有4种不同的工作状态，如表2-1所示。
表2-1 晶体管的4种偏置方式
在模拟电子电路中，晶体管常作为放大器件使用，因此晶体管除具有放大作用的内部结构条件外，还必须有实现放大的外部条件，即保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。要实现发射结正偏，集电结反偏，对于NPN管来说三个电极的电位关系是：集电极电位UC最高，基极电位UB次之，发射极电位UE最低，即UC>UB>UE；对于PNP管来说三个电极的电位关系和NPN管正好相反，即UC<UB<UE。
2.晶体管的三种组态
晶体管是三端器件，有三个电极：发射极、基极和集电极，用作四端网络时，其中任何一个电极都可作为输入和输出端口的公共端，因此，晶体管有三种连接方式，也称三种组态。以发射极作为信号输入和输出公共端的电路，称为共发射极电路；以基极作为信号输入和输出公共端的电路，称为共基极电路；以集电极作为信号输入和输出公共端的电路，称为共集电极电路。三种电路组态如图2-2所示。
图2-2 晶体管的三种组态
a）共射极电路 b）共基极电路 c）共集电极电路
3.晶体管内部载流子的运动和各极电流的形成
晶体管是放大电路的核心器件。要使晶体管工作在放大状态，无论哪种组态电路，其外部加电原则都是发射结正向偏置，集电结反向偏置。下面以共射电路为例分析在放大状态下晶体管内部载流子的运动状况。
图2-3为共射电路的NPN管内部载流子运动示意图。
图2-3 晶体管内部载流子运动与外部电流
图2-3中基极电源UBB保证发射结正偏，集电极电源UCC保证集电结反偏，且UCC>UBB。
（1）发射结正向偏置，扩散运动形成发射极电流IE
由于发射结正向偏置，且发射区掺杂浓度高，所以发射区大量的自由电子扩散到基区，成为基区的非平衡少子，并形成电子电流IEN；同时，基区的多子空穴也扩散到发射区，形成空穴电流IEP，因此发射极电流IE为电子电流IEN和空穴电流IEP之和，即
由于发射结为N+P结，流过发射结的空穴电流和电子电流相比可以忽略不计，所以发射极电流IE主要是自由电子扩散运动所形成的电子电流。
（2）部分非平衡少子与空穴复合形成基极电流IB
由于基区很薄，且掺杂浓度低，所以扩散到基区的自由电子只有极少部分与基区空穴复合，大部分作为基区的非平衡少子到达集电结。基区被复合掉的空穴由基极电源UBB源源不断地补充，从而形成基极电流IB。
（3）集电结反向偏置，漂移运动形成集电极电流IC
由于集电结反向偏置，且集电结面积大，此时在内电场的作用下漂移运动大于扩散运动，基区里到达集电结边缘的非平衡少子漂移到集电区，形成集电极电子电流ICN；同时，基区和集电区的平衡少子也进行漂移运动，形成反向饱和电流ICBO。由此集电极电流IC为
其中，ICBO很小，近似分析中可忽略不计。
4.晶体管的电流分配关系
前面分析了晶体管处于放大状态时内部载流子的运动及各极电流的形成。从晶体管的外部看，可将晶体管视为一个节点，则根据基尔霍夫电流定律有
对于一个高质量的晶体管，通常希望发射区的绝大多数自由电子能够到达集电区，即ICN在IE中占有尽可能大的比例。为了衡量集电极电子电流ICN所占发射极电流IE的比例大小，一般将ICN和IE的比值定义为共基直流电流放大系数，记作
，即
将上式代入式（2-2）可得
当ICBO<<IC时，可将ICBO忽略，则
将式（2-3）代入式（2-5），即得
上式经移项、整理后为
令
称为共射直流电流放大系数。将上式代入式（2-7），可得
上式中的
是基极开路（IB=0）时，流经集电极与发射极之间的电流称为穿透电流，用ICEO表示，即
则IC又可表示为
通常，ICEO很小，上式可简化为
将式（2-12）代入式（2-3），可得
从上述分析可知，晶体管中的电流是按比例分配的，在发射区扩散到基区的载流子中，每有一个载流子在基区复合，就必然有
个载流子漂移到集电区，形成集电极电流IC。也就是说，集电极电流IC是基极电流IB的
倍。
5.晶体管的电流放大作用
晶体管管子做成后，IC和IB的比例基本上保持一定，IC的大小不但取决于IB，而且远大于IB。因此只要能控制基极电流IB，就可实现对集电极电流IC的控制。所谓晶体管的电流放大作用，就是指这种对电流的控制能力，故常把晶体管称为电流控制器件。
将图2-3中的晶体管内部结构图用晶体管的电路符号表示，并将Δui作为输入电压信号接在基极—发射极回路，称为输入回路；放大后的信号取在集电极—发射极回路，称为输出回路，得到图2-4所示的基本放大电路，由于发射极是两个回路的公共端，故该电路是共射放大电路。
图2-4 基本共射放大电路
在图2-4所示电路中，在输入电压ΔuI作用下，晶体管的基极电流将在直流电流IB的基础上叠加一个动态电流ΔiB，相应的集电极电流也会在直流电流IC的基础上叠加一个动态电流ΔiC，ΔiC与ΔiB之比称为共射交流电流放大系数，记作β，即
设iC变化时
基本不变，则根据式（2-11）有
因此
式（2-15）表明，晶体管工作在放大状态时，由于β和
相当接近，所以在近似分析中不再对它们加以区分。
相应地，将集电极动态电流ΔiC和发射极动态电流ΔiE之比定义为共基交流电流放大系数，记作α，即
同理
根据α和β的定义以及晶体管中三个电流的关系，可得
所以α与β两个参数之间满足下列关系式：
2.1.3 晶体管的特性曲线
晶体管的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是晶体管内部特性的外部表现，是分析放大电路的重要依据。从使用晶体管的角度来说，了解晶体管的外部特性比了解它的内部特性更为重要。由于晶体管有三个电极，所以它的伏安特性就不像二极管那样简单，工程上常用的是它的输入特性和输出特性曲线，下面仍以NPN管组成的共射放大电路为例，介绍晶体管的输入、输出特性曲线。
1.输入特性曲线
输入特性曲线是指在晶体管的集电极与发射极之间的电压UCE为某一固定值时，基极电流iB与发射结电压uBE之间的关系曲线。用函数关系表示为
从式（2-19）可知，对应不同的UCE值，可作出一组iB~uBE特性曲线，如图2-5所示。
当UCE=0时，相当于集电极和发射极短路，则发射结和集电结并联。所以，晶体管的输入特性与PN结的正向特性相似。
随着UCE的增大，集电结上的偏压将由正偏逐渐转为反偏，使发射区进入基区的电子更多地流向集电区，因此对应于相同的uBE，流向基极的电流iB比原来UCE=0时小了，故特性曲线相应地向右移动。实际上，当UCE≥1V以后，集电结的电场已足够强，使发射区扩散到基区的非平衡少子的绝大部分都到达了集电区，形成集电极电流iC，因此，在相同的uBE下，尽管UCE增加，iB也不再明显地减小，故UCE>1V以后的输入特性基本重合。由于实际使用时，UCE通常都大于1，所以一般选用UCE>1V的那条特性曲线。
2.输出特性曲线
输出特性曲线是指在基极电流IB为某一固定值时，集电极电流iC同集电极与发射极之间的电压uCE之间的关系曲线。用函数表示为
对于每一个确定IB，都有一条输出特性曲线，所以输出特性是一组曲线族，如图2-6所示。
图2-5 NPN管的共射输入特性曲线
图2-6 NPN管的共射输出特性曲线
由图2-6可见，对应于不同的IB，各条特性曲线的形状基本相同，现取一条进行说明。
在uCE较小时，集电结电场强度很小，对到达基区的电子吸引力不够，一旦uCE稍有增加，iC就跟着增大，iC受uCE影响较明显，曲线很陡。当uCE超过某一数值时，集电结的电场达到了足以将基区中的大部分非平衡少子拽到集电区的强度，所以，即使uCE再增大，也不会有更多的电子被收集过来，集电极电流iC基本恒定，特性曲线变得比较平坦。
然而实际上，由于集电结上反向电压的增加，集电结加宽，相应地使基区宽度减小，这样在基区内载流子的复合减小，导致β增大。那么，在IB不变的情况下，iC将随uCE而增大，特性曲线略向上倾斜，这种现象称为基区宽度调制效应。
根据输出特性曲线的特点，将晶体管的工作范围划分为三个区域。
（1）截止区
输出特性曲线族中，IB=0以下的区域称为截止区。晶体管工作在截止区时，发射结和集电结均处于反向偏置，IB=0，IC≤ICEO。通常ICEO很小，因此在近似分析中可以认为晶体管的集电极和发射极之间呈高阻态，iC≈0，晶体管截止，相当于开关断开。
（2）放大区
在图2-6中虚线以右，各条输出特性曲线较平坦的部分，称为放大区。晶体管工作在放大区时，发射结为正偏，集电结为反偏。在放大区，各条特性曲线几乎平行，且间距也几乎相等，这表明集电极电流iC受基极电流iB控制，而与uCE无关。所以在放大区，晶体管可视为一个受基极电流iB控制的受控恒流源，β为一常数。
（3）饱和区
在图2-6中虚线以左，uCE很小，输出特性曲线陡直上升的区域，称为饱和区。晶体管工作在饱和区时，发射结和集电结均处于正向偏置，集电结收集电子的能力较小，IB增大时，iC增加很少，甚至不增大。从图2-6可见，不同IB值的各条特性曲线几乎重叠在一起，IB对iC失去控制作用，因此晶体管没有放大作用，不能用β来描述基极电流和集电极电流的关系。
工程上定义，uCE=uBE，即uCB=0时，晶体管处于临界饱和；uCE<uBE时，则称为饱和。晶体管饱和时的管压降用UCES表示，通常，小功率硅管的管压降UCES约为0.3V，小功率锗管的管压降UCES约为0.1V，所以晶体管饱和时，集电极和发射极之间呈低阻态，相当于开关闭合。
2.1.4 晶体管的主要参数
晶体管的参数用来表征晶体管的各种性能和适用范围。由于制造工艺的关系，即使同一型号的管子，其参数的离散性也很大。晶体管手册上所给出的参数只是一般的典型值，了解这些参数的意义，对合理使用管子进行电路设计是十分必要的。
1.电流放大系数
电流放大系数是表征晶体管放大性能的参数，主要有共射直流电流放大系数
、共射交流电流放大系数β、共基直流电流放大系数
、共基交流电流放大系数α。
在近似分析中可认为β≈
，α≈
。
2.极间反向电流
（1）集电极—基极反向饱和电流ICBO
集电极—基极反向饱和电流ICBO是指发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。在一定的温度下，这个反向电流基本上是个常数，所以称为反向饱和电流。由于ICBO是少数载流子的运动形成的，所以对温度非常敏感。一个好的小功率锗晶体管的ICBO约为几微安~几十微安，硅晶体管的ICBO更小，有的可达到纳安数量级。
（2）集电极—发射极穿透电流ICEO
集电极—发射极穿透电流ICEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的电流。由式（2-10）知
可见，晶体管的
越大，该管的ICEO越大。由于ICBO随温度的增加而迅速增大，所以ICEO随温度的增大更为敏感。通常ICBO和ICEO越小，表明管子的质量越好。在实际工作中选用晶体管时，不能只考虑β的大小，还要注意选用ICBO和ICEO小的管子。
3.极限参数
极限参数是指晶体管使用时不允许超过的工作界限，超过此界限，管子性能下降，甚至损坏。
（1）集电极最大允许电流ICM
集电极电流iC在相当大的范围内β值基本不变，但是当iC的数值大到一定程度时，β值将减小。通常ICM表示β值降为正常β值的2/3时，所允许的最大集电极电流。
（2）集电极最大允许功耗PCM
为了保护晶体管的集电结不会因为过热而烧毁，集电结上允许耗散功率的最大值为PCM。
P CM=iCuCE
对于确定型号的晶体管，PCM是一个定值，因此由上式可在晶体管的输出特性曲线上画出管子的最大功率损耗线，如图2-7所示。集电极功耗值小于PCM的区域为安全工作区，集电极功耗值大于PCM的区域为过损耗区。
图2-7 晶体管的极限损耗线
P CM值与环境温度有关，温度越高，PCM值越小。因此晶体管在使用时受到环境温度的限制，硅管的上限温度约为150℃，锗管约为70℃。
（3）极间反向击穿电压
晶体管上的两个PN结，若所加反向电压超过规定值，就会出现反向击穿，其反向击穿电压不但与管子本身的特性有关，还与外部电路的连接方法有关。常用的有以下几种。
①U（BR）CBO
U （BR）CBO是指发射极开路时集电极—基极间的反向击穿电压。它实际上是集电结的反向击穿电压值，取决于集电结的雪崩击穿电压，其数值较高。
②U（BR）CEO
U （BR）CEO是基极开路时集电极—发射极之间的反向击穿电压。这个电压的大小与ICEO有直接的关系，当uCE增大时，ICEO明显增大，导致集电结出现雪崩击穿。
③U（BR）EBO
U （BR）EBO是集电极开路时发射极—基极之间的反向击穿电压。它是发射结的反向击穿电压值。
此外，集电极与发射极之间的击穿电压还有：基极—发射极间接有电阻时的U（BR）CER、短路时的U（BR）CES。上述各击穿电压之间的关系为
U （BR）CBO>U（BR）CES>U（BR）CER>U（BR）CEO
综上所述，在晶体管的输出特性曲线上，由PCM、ICM和U（BR）CEO所围成的区域，是晶体管的安全工作区。如图2-7所示。
2.1.5 温度对晶体管参数的影响
由于半导体材料的热敏特性，晶体管的参数几乎都与温度有关。在使用晶体管时，主要考虑温度对以下三个参数的影响。
1.温度对ICBO的影响
I CBO是晶体管集电结反向偏置时平衡少子的漂移运动形成的。当温度升高时，由本征激发所产生的少子浓度增加，从而使ICBO增大。可以证明，温度每升高10℃，ICBO增加约一倍。通常硅管的ICBO比锗管的要小，因而硅管比锗管受温度的影响要小。
2.温度对UBEO的影响
U BEO是晶体管发射结正向导通电压，它类似于PN结的导通电压UON，具有负温度系数，即温度每升高1℃，UBEO将减小2~2.5mV。
3.温度对 
的影响
温度升高时，注入基区的载流子扩散速度加快，在基区电子与空穴的复合数目减少，因而
增大。实验表明，温度每升高1℃，
将增加0.5%～1.0%。
例2-1 用直流电压表测得某放大电路中一个晶体管的三个电极对地电位分别是：U1=3V，U2=9V，U3=3.7V，试判断该晶体管的管型及各电位所对应的电极。
解：由晶体管正常放大的工作条件可知，晶体管正向偏置时，硅管的UBE≈0.7V，锗管的UBE≈0.2V；对于NPN型管UC>UB>UE，对于PNP型管UC<UB<UE。
根据题中已给条件，U3和U1电位差为0.7V，可判断该管是硅管，且U3和U1所对应的电极一个是基极，一个是发射极，则U2所对应的电极一定是集电极c。又因为U2是三个电极电位中最高的电位，该管是NPN型管子。由U1<U3<U2可知，U1对应发射极e，U2对应基极b，U3对应集电极c。
例2-2 某晶体管的输出特性曲线如图2-8所示。求晶体管在UCE=25V，IC=2mA处的电流放大系数β，并确定管子的穿透电流ICEO、反向击穿电压UCEO、集电极最大电流ICM和集电极最大功耗PCM。
图2-8 例2-2晶体管输出特性曲线
解：在点Q（UCE=25V，IC=2mA）处取ΔIB=60μA-40μA=20μA=0.02mA
此时图中特性曲线上对应ΔIC为：ΔIC=2.9mA-0.90mA=1mA
β=ΔIC/ΔIB=1/0.02=50
由公式IC=
+ICEO可知，当IB=0时，IC=ICEO，从图中可以看出IB=0的那条输出特性曲线所对应的集电极电流为10μA，所以ICEO=10μA。
U CEO是基极开路（即IB=0）时，集电极与发射极之间的击穿电压。从IB=0的那条特性曲线可以看出UCE>50V时，iC迅速增大，所以UCEO为50V。
通过UCE=25V作垂线与PCM线相交，交点的纵坐标iC=3mA，所以PCM=iCuCE=3×25mW=75mW。
I CM在图中已标出，其值为5mA。