第5章 晶体管的应用与检测

5.1 晶体管的特点与功能应用

5.1.1 晶体管的种类特点

晶体管实际上是在一块半导体基片上制作两个距离很近的PN结。这两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分为基极（b），两侧部分为集电极（c）和发射极（e），排列方式有NPN型和PNP型两种，如图5-1所示。

晶体管的应用十分广泛，种类繁多，分类方式也多种多样。

1.按功率分类

根据功率不同，晶体管可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。图5-2为三种不同功率晶体管的实物外形。

要点说明

小功率晶体管的功率一般小于0.3W，中功率晶体管的功率一般在0.3～1W之间，大功率晶体管的功率一般在1W以上，通常需要安装在散热片上。

2.按工作频率分类

根据工作频率不同，晶体管可分为低频晶体管和高频晶体管，如图5-3所示。

图5-1 常见晶体管的实物外形及结构

图5-2 三种不同功率晶体管的实物外形

图5-3 不同工作频率晶体管的实物外形

要点说明

低频晶体管的特征频率小于3MHz，多用于低频放大电路；高频晶体管的特征频率大于3MHz，多用于高频放大电路、混频电路或高频振荡电路等。

3.按封装方式分类

根据封装形式不同，晶体管的外形结构和尺寸有很多种，从封装材料上来说，可分为金属封装型和塑料封装型两种。金属封装型晶体管主要有B型、C型、D型、E型、F型和G型；塑料封装型晶体管主要S-1型、S-2型、S-4型、S-5型、S-6A型、S-6B型、S-7型、S-8型、F3-04型和F3-04B型，如图5-4所示。

4.按制作材料分类

晶体管是由两个PN结构成的，根据PN结材料的不同可分为锗晶体管和硅晶体管，如图5-5所示。从外形上看，这两种晶体管并没有明显的区别。

要点说明

不论是锗晶体管还是硅晶体管，工作原理完全相同，都有PNP和NPN两种结构类型，都有高频管和低频管、大功率管和小功率管，但由于制造材料的不同，因此电气性能有一定的差异。

◇锗材料制作的PN结正向导通电压为0.2～0.3V，硅材料制作的PN结正向导通电压为0.6～0.7V，锗晶体管发射极与基极之间的起始工作电压低于硅晶体管。

◇锗晶体管比硅晶体管具有较低的饱和电压降。

图5-4 不同封装形式晶体管的实物外形

图5-5 不同制作材料晶体管的实物外形

5.按安装形式分类

晶体管除上述几种类型外，还可根据安装形式的不同分为分立式晶体管和贴片式晶体管。此外，还有一些特殊的晶体管，如达林顿管是一种复合晶体管、光电晶体管是受光控制的晶体管，如图5-6所示。

图5-6 其他类型晶体管的实物外形

5.1.2 晶体管的功能应用

1.电流放大功能

晶体管是一种电流控制器件，晶体管必须接在相应的电路中加上电源偏压才能工作。其中集电极电流受基极电流的控制，集电极电流等于βI_b，发射极电流I_e等于集电极电流和基极电流之和；集电极电流与基极电流之比，即为晶体管的放大倍数β。

晶体管最重要的功能就是具有电流放大作用，基极输入一个很小的电流就可控制集电极较大的电流，晶体管的电流放大功能如图5-7所示。

图5-7 晶体管的电流放大功能

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晶体管的放大作用我们可以理解为一个水闸，如图5-8所示。由水闸上方流下的水流可以将其理解为集电极（c）的电流I_c，由水闸侧面流入的水流称为基极（b）电流I_b。当I_b有水流流过，冲击闸门，闸门便会开启，集电极便产生放大的电流，这样水闸侧面的水流（相当于电流I_b）与水闸上方的水流（相当于电流I_c）就汇集到一起流下（相当于发射极的电流I_e）。

图5-8 晶体管的放大原理

从图中可以看到，水闸侧面流过很小的水流流量（相当于电流I_b），就可以控制水闸上方（相当于电流I_c）流下的大水流流量。这就相当于晶体管的放大作用，如果水闸侧面没有水流流过，就相当于基极电流I_b被切断，那么水闸闸门关闭、上方和下方就都没有水流流过，相当于集电极（c）到发射极（e）的电流也被关断了。

晶体管实现放大功能的基本的条件是保证基极和发射极之间加正向电压（发射结正偏），基极与集电极之间加反向电压（集电结反偏）。也就是说，基极相对于发射极为正极性电压，基极相对于集电极则为负极性电压。

晶体管具有半导体工作特性，一般可用特性曲线来反映晶体管各极的电压与电流之间的关系曲线，晶体管特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线，如图5-9所示。

图5-9 晶体管的特性曲线

1）输入特性曲线是指当集-射极之间的电压U_ce为某一常数时，输入回路中的基极电流I_b与加在基-射极间的电压U_ce之间的关系曲线。

在放大区集电极电流与基极电流的关系如图5-10所示，当集电极与发射极之间电压为12V时，两者之间成线性放大的关系，如基极电流为20μA时，集电极电流则为3mA，当基极电流为40μA时，集电极电流增加到6mA（放大倍数为（6mA-3mA）/（40μA-20μA）=150）。

在晶体管内部，U_ce的主要作用是保证集电结反偏。当U_ce很小，不能使集电结反偏时，这时晶体管完全等同于二极管。

图5-10 集电极电流（I_c）与基极电流（I_b）的关系

当U_ce使集电结反偏后，集电结内电场就很强，能将扩散到基区的自由电子中的绝大部分拉入集电区。这样与U_ce很小（或不存在）相比，I_b增大了。因此，U_ce并不改变特性曲线的形状，只使曲线下移一段距离。

2）输出特性曲线是指当基极电流I_b为常数时，输出电路中集电极电流I_c与集-射极间的电压U_ce之间的关系曲线。集电极电流与U_ce的关系曲线如图5-11所示。当基极电流不变时，集电极电流随U_ce的变化很小，例如，当I_b=30μA时，U_ce从5V变到10V时，I_c稍有增加。

图5-11 集电极电流I_c与集-射极间电压U_ce的关系曲线

根据晶体管不同的工作状态，输出特性曲线分为3个工作区。

①截止区。I_b=0曲线以下的区域称为截止区。I_b=0时I_c=I_ceo，该电流称为穿透电流，其值极小，通常忽略不计。故认为此时I_c=0，晶体管无电流输出，说明晶体管已截止。对于NPN型硅晶体管，当U_be<0.5V，即在死区电压以下时，晶体管就已开始截止。为了可靠截止，常使U_ce<0。这样，发射结和集电结都处于反偏状态。此时的U_ce近似等于集电极（c）电源电压U_c，意味着集电极（c）与发射极（e）之间开路，相当于集电极（c）与发射极（e）之间的开关断开。

②放大区。在放大区内，晶体管的工作特点是发射结正偏，集电结反偏；I_c=βI_b，集电极（c）电流与基极（b）电流成正比。因此，放大区又称为线性区。

③饱和区。特性曲线上升和弯曲部分的区域称为饱和区，即，集电极与发射极之间的电压趋近零。I_b对I_c的控制作用已达最大值，晶体管的放大作用消失，晶体管的这种工作状态称为临界饱和。若U_ce<U_be，则发射结和集电结都处在正偏状态，这时的晶体管为过饱和状态。

在过饱和状态下，因为U_be本身小于1V，而U_ce比U_be更小，于是可以认为U_ce近似为零。这样集电极（c）与发射极（e）短路，相当于c与e之间的开关接通。

2.开关功能

晶体管的集电极电流在一定的范围内随基极电流呈线性变化，这就是放大特性，但当基极电流超过此范围时，晶体管集电极电流会达到饱和值（导通），而低于此范围晶体管会进入截止状态（断路），这种导通或截止的特性，在电路中还可起到开关的作用。

图5-12所示为晶体管在电路中起开关功能的电路图。

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基极与发射极之间的PN结称为发射结，基区与集电极之间的PN结称为集电结。当PN结两边外加正向电压，即P区接外电源正极，N区接外电源负极，这种接法又称正向偏置，简称正偏。当PN结两边外加反向电压，即P区接外电源负极，N区接外电源正极，这种接法又称反向偏置，简称反偏。

图5-12 晶体管的开关功能