2.2 半导体三极管

半导体三极管是由两个PN结构成的半导体器件。由于两个PN结有不同的组合方式，半导体三极管可分为NPN型和PNP型两大类。制造半导体三极管的材料有锗和硅，所以半导体三极管又有锗管和硅管之分。另外，因制造半导体三极管采用的工艺不同，可以做出高频管（3MHz以上）和低频管（3MHz以下），以及大、中、小功率管。

在稳压电源电路中，大功率晶体管主要用做调整元器件或推动放大级；小功率管主要用做放大电路、保护电路、恒流源电路、转换电路及开关电源中的脉冲电路。

在设计稳压电源时，常用到半导体三极管的一些参数及特性曲线，下面简单地介绍一下。

2.2.1 半导体三极管的特性曲线

半导体三极管特性的测试电路如图2-15所示。

把三极管各电极的各种电压与电流的相互关系描绘成曲线，便是三极管的特性曲线。半导体三极管的特性曲线分为输入和输出两种。输入特性曲线是指把三极管的集电极-发射极电压Uce固定在某一个值上，反映基极电流Ib与发射极电压之间的关系的曲线，如图2-16所示。图中左边三条为锗管的曲线，右边一条为硅管的曲线。

半导体三极管输出特性曲线，指的是把基极电流Ib固定在某一个点，反映三极管集电极电流Ic与集电极-发射极电压Uce之间关线的曲线。从输出特性曲线中可以看出，三极管的工作状态可以划分成三个区域，如图2-17所示。

其中，Ib=0曲线以下的阴影部分称为截止区。截止区的特点是，三极管的两个PN结都处于反向偏置，因此没有放大作用。此时，三极管的内阻很大，相当于开关断开。

靠近左边的阴影部分是饱和区。它的特点是两个PN结都处于正向偏置，基极-发射极电压近似为零。此时，即使继续增大基极电流Ib，集电极电流Ic也不会再增大了，三极管同样失去了放大作用，相当于开关接通，三极管内阻很小。

开关电源就是在这两种状态下工作的，当电源的输出电压因电网或负载某一个方面的影响而下降时，通过反馈控制系统，使调整三极管处于饱和区，输入电压通过三极管直接加到电源的输出端，使输出电压趋向于上升；反之，当电源电压上升时，三极管工作在截止区，使输入电压无法加到输出端，输出电压因此而下降，使稳压电源的输出电压始终保持稳定。

在饱和区和截止区之间是放大区。三极管工作在这个区域时，集电极电流Ic是由基极电流Ib控制的，Ib增大时Ic便增大，Ib减小时Ic也减小，而且两者总是相差β倍。β称为电流放大倍数。稳压电源中的各种放大器及串联型稳压电源中的调整三极管都工作在这个区域内。

2.2.2 半导体三极管的三种基本接法

半导体三极管有三种基本接法：共发射极、共集电极和共基极。不同接法的输入端和输出端各不相同，但它们的工作原理是基本相同的。所谓共发射极是指发射极接地，如图2-18所示。这种电路既具有电压增益，又具有电流增益，所以得到了最广泛的应用。

共集电极电路也称射极跟随器，如图2-19所示。它的电流增益与共发射极电路近似相等，电压增益小于或等于1，输入电压与输出电压极性相同、幅值相等，输入电阻高，输出电阻小。由于它有这些优点，所以在稳压电源中比较常用。

共基极电路虽然电流增益小于1，输入电阻也很小，仅有几十欧姆。但是它的输出电阻大，电压增益高，频率特性好，工作稳定，非线性失真小，所以常在高频电路中使用，该电路如图2-20所示。

半导体三极管三种电路的性能比较见表2-1。

2.2.3 半导体三极管的主要参数

在设计调试半导体三极管电路时常常以三极管的参数为基本根据，无线电爱好者或从事电子行业的工作人员都应该了解和熟悉。半导体三极管的参数很多，这里选主要的进行介绍。

1．电流放大倍数

半导体三极管电流放大倍数，一般有两种含义。一种是在共基极电路情况下的，它用α或hfb或h21b表示。由于共基极电路在稳压电源中应用较少，在此不赘述；另一种是在共发射极电路情况下的，常用β或hFE、h21表示。有静态直流放大倍数和动态交流放大倍数之分。直流放大倍数的含义是集电极电流Ic与基极电流Ib之比。交流放大倍数的定义是，使三极管集电极-发射极电压Uce保持一个常数，是集电极电流变化量ΔIc与基极电流变化量ΔIb之比。电流放大倍数可用仪器测出，也能由特性曲线求得。

2．输入电阻和输出电阻

输入电阻是半导体三极管交流短路时，基极-发射极间的电阻。它表示三极管基极-发射极间交流输入电压与交流输入电流的比值。

在低频小功率半导体三极管中，输入电阻可用如下简化公式算出

式中 Ie——发射极电流，单位是mA。

输出电阻是输入端开路时输出电压变化量ΔUce与输出电流变化量ΔIc的比值。

3．半导体三极管的频率参数

三极管的电流放大倍数β，只有在一定的频率下才保持不变，当频率超过一定范围时，β将随频率的增加而下降。一般把β下降到原来数值的0.707倍时的频率，称为截止频率，用fβ表示。把β下降到1时的频率称为特征频率，用fT来表示。特征频率不仅反映出频率特性，同时还反映了放大特性，所以还称为增益-带宽乘积。

4．半导体三极管的极限参数

在设计电路选择半导体三极管时，有些参数是绝对不可超越的，否则会损坏三极管，这类参数称为极限参数。主要的极限参数如下：

（1）集电极-基极击穿电压UCBO：它是发射极开路时的集电结反向击穿电压。三极管手册或说明书所给出的UCBO值是在室温（25℃）时测得的典型值。而实际的UCBO值是随环境温度升高而减小的。如果三极管温升达到允许温度时（锗管为70～90℃，硅管为150～200℃）, UCBO几乎减小到手册给出值的1/2。因此，在实际应用时必须充分考虑环境温度的变化，使集电极-基极的反向电压远小于UCBO。

（2）发射极-基极击穿电压UEBO：这是指集电极开路时，发射极的击穿电压。在设计开关电路时，这个参数非常重要，不应超过手册或说明书上给出的数值。

不同类型的三极管UEBO值也不一样，而且相差比较悬殊。其中，以扩散基极的UEBO为最小，甚至只有零点几伏。因此，当基极-发射极之间有较大的反向脉冲电压或大的交流信号时，选用晶体管应特别慎重，以免造成击穿损坏。

（3）集电极-发射极击穿电压UCEO：它是当基极开路时，集电极与发射极之间的击穿电压。同一个三极管的UCEO值总比UCBO要小。它也受环境温度变化的影响，温度升高它便减小。另外，它还与电流放大倍数β有关，通常是β小，UCEO值大；β大，UCEO值小。

（4）基极-发射极间串联有电阻的集电极-发射极击穿电压UCER。在实际应用中，三极管基极-发射极之间总是串联着不同阻值的电阻（或等效电阻，如信号源内阻）Rbe，此时集电极发射极所允许施加的最高电压就是UCER。UCER值随电阻Rbe值的减小而提高。当Rbe=0（发射极与基极短路）时，UCER趋近于UCBO值；当Rbe很大时，UCER趋近于UCEO值。手册或说明书所给的UCER值，是在某个规定电阻值Rbe时的集电极-发射极之间的击穿电压。

（5）集电极最大允许电流ICM：集电极电流Ic超过某个定值时，三极管的参数开始发生变化，尤其是电流放大倍数α或β有下降的趋势。三极管参数的变化不超过规定允许值时的集电极最大电流，称为集电极最大允许电流ICM。一般在手册或说明书上所列出的ICM值是指共基极电流放大系数α降低到原来值的2/3或1/2左右时的集电极电流值。必要时，集电极电流Ic可以超过ICM，但电流放大倍数要降低。

（6）集电极最大允许耗散功率PCM和热阻Rθ：半导体三极管集电极最大允许耗散功率PCM实际上就是集电极直流电压和集电极直流电流的乘积。半导体手册或说明书给出的PCM值，一般是环境温度TA=25℃时集电极最大允许耗散功率。当环境温度升高时，PCM要相应地降低。

特别应该注意的是，三极管工作时，集电极最大允许电流ICM和最大集电极电压（如UCBO和UCEO）不能同时达到，否则两者的乘积会超过PCM值。

热阻Rθ是衡量半导体三极管集电极耗散功率大小的另一个参数，它表征了三极管工作时所产生的热能向外消散的能力。Rθ越小，散热的能力越强，在相同环境温度下能承受的PCM就越大。热阻的单位是℃/mW或℃/W。

集电极最大耗散功率PCM′、热阻Rθ和环境温度TA三者存在着如下关系：

式中，TjM是三极管的最高结温（锗管约为80～90℃，硅管约为150～250℃）。当TA=25℃时，集电极最大耗散功率PCM′与最大允许耗散功率PCM相等，即

这样，当Rθ已知时，便能运用上式求出该管的PCM值，也可以求出不同环境温度下的集电极最大耗散功率PCM′。例如，某三极管TjM=180℃，工作环境温度为30℃，热阻Rθ为3℃/W，则

5．半导体三极管直流特性参数

半导体三极管直流特性参数是评价三极管稳定工作的重要指标，常常用它来判别三极管在宽的温度范围内工作的能力。这些参数主要是指三极管各电极间的反向饱和电流（或称反向截止电流）。

（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO：它是当发射极开路时，在基极与集电极间加有规定的反向电压-UCB时的集电极电流。质量好的三极管ICBO应该是很小的。一般小功率三极管ICBO约为1～10μA；大功率三极管ICBO可达数毫安，高的达10mA。硅三极管的ICBO只有相同功能锗管的几百分之一，甚至几千分之一。

ICBO受温度影响很大，锗管温度每升高12℃时，ICBO就增加一倍左右；硅管温度每升高8℃, ICBO就增加一倍左右。因为ICBO是集电极电流的一部分，随着温度的升高，ICBO成倍地增长，必然会导致集电极电流的增长。设计电路时，应充分考虑这一点，以免损坏三极管。

（2）集电极-发射极反向饱和电流ICEO：它是基极开路时，在集电极与发射极之间加有规定的反向偏压-Uce时的集电极电流，也称穿透电流。有的三极管手册和说明书还给出了ICER和ICES两个参数。ICER是当基极和发射极之间串联电阻Rbe时，集电极-发射极反向饱和电流值；ICES为基极-发射极短路时，集电极-发射极反向饱和电流值。这两个参数是用来表示三极管在大信号工作时，工作点的稳定程度，这两个参数越小，工作点就越稳定。在相同偏压下， ICER总比ICEO小；电阻Rbe越小，ICES也越小。当基极与发射极短路时，ICER即与ICES相等。在一般情况下，ICES＜ICBO，且趋近于ICBO值。

（3）基极-发射极反向饱和电流IEBO：它是当集电极开路时，在发射极与基极之间加有规定的反向电压-UEB时的发射极反向饱和电流。IEBO越小越好，它是表征三极管发射极质量的。一般小功率锗管IEBO＜10μA；硅管的IEBO＜0.1μA。IEBO也是三极管工作点稳定性参数之一。