双极结型晶体管Bipolar Junction Transistor, BJT常被称为三极管。于1947年12月23日由美国贝尔实验室的巴丁博士、布莱顿博士和肖克莱博士发明。其工作时同时涉及电子和空穴两种载流子的流动因此被称为“双极性”晶体管。1. 基本结构三极管由三层半导体和两个PN结构成。包括基区(Base)集电区(Collector)和发射区(Emitter)。如下图所示2. 主要功能三极管是电子电路中最核心的元件之一。核心原理是利用其内部结构特点如基区很薄、掺杂浓度差异等和外部偏置条件通过基极电流来控制集电极电流。其主要功能包括信号放大将微弱的电信号放大成幅度值较大的信号。电子开关作为无触点开关用于数字电路和逻辑控制中。3. 工作原理以NPN型为例以NPN型三极管在放大模式下工作为例其内部载流子运动过程如下发射区向基区注入电子在发射结基区和发射区之间的PN结正向偏置的作用下发射区的大量电子被注入到基区。电子在基区扩散与复合基区非常薄且掺杂浓度低注入的电子在向另一端扩散的过程中只有极少数会与基区的空穴复合形成基极电流 Iᵦ。集电区收集电子集电结基区和集电区之间的PN结处于反向偏置这使得基区中大部分扩散到集电结边缘的电子被强大的电场拉入集电区形成集电极电流$I_C$。4. 输入特性曲线输入特性曲线描述了在集电极-发射极电压$V_{CE}$固定时基极电流$I_B$与基极-发射极电压$V_{BE}$之间的关系$I_B f(V_{BE})$ 。开启电压NPN型三极管当$V_{BE} \lt V_{on}$时$I_b$几乎为零三极管处于截止状态当$V_{BE} \ge V_{on}$时$I_B$会迅速增大三极管开始显著导通 。PNP型三极管当$V_{EB} \lt V_{on}$时截止当$V_{EB} \ge V_{on}$时导通。$V_{on}$0.6-0.7V(硅管),0.2-0.3V(锗管)满足上述条件后三极管会在集电极和发射极之间形成导通路径此时对于NPN型电流方向为基极→发射极集电极→发射极对于PNP型电流方向为发射极→基极发射极→集电极发射极电流 ($I_E$)等于基极电流 ($I_B$) 和集电极电流 ($I_C$) 之和即 $I_E$ $I_B$ $I_C$。$V_{CE}$的影响当$V_{CE}$大于1V后集电结已处于反向偏置对基极电流的影响微乎其微因此不同$V_{CE}$下的输入特性曲线会基本重合 。5. 输出特性曲线输出特性曲线描述了在基极电流$I_B$固定时集电极电流$I_C$与集电极-发射极电压$V_{CE}$之间的关系$I_C f(V_{CE})$ 。这是判断三极管工作状态的核心依据 。三极管的工作状态由其外部电压决定主要分为三种放大区active region发射结正向偏置集电结反向偏置。此时基极电流 $I_B$ 能有效地控制集电极电流 $I_C$实现稳定的电流放大作用 。集电极电流与基极电流关系$I_C$ β × $I_B$其中β为放大倍数通常在100~300之间 。饱和区saturation region发射结和集电结均处于正向偏置。此时基极电流过大集电极电流不再受基极电流的控制$V_{CE}$变得很小相当于一个闭合的开关 。集电极电流与基极电流关系$I_C$ β × $I_B$。截止区cutoff region发射结和集电结均处于反向偏置或零偏置。此时无论$V_{CE}$多高基极电流 $I_B$ 几乎为零集电极电流 $I_C$ 也几乎为零仅剩微小的穿透电流$I_{CEO}$三极管相当于一个断开的开关 。偏置类型正向偏置$V_PV_N$反向偏置$V_PV_N$发射结NPN$V_{BE} 0$$V_{BE} 0$PNP$V_{EB} 0$$V_{EB} 0$集电结NPN$V_{BC} 0$$V_{BC} 0$PNP$V_{CB} 0$$V_{CB} 0$5.1 集电极-发射极饱和压降集电极-发射极饱和压降$V_{CE(sat)}$通俗来说就是三极管作为“开关”完全闭合导通时自身两端残留的电压降 。三极管进入饱和区内部依然存在微小的内阻。对于常见的小功率硅三极管这个值通常很小在 0.1V 到 0.3V 之间 。如果是大功率管或达林顿管这个值可能会更高如 0.7V 甚至更高 。三极管导通时的损耗功率 $P V_{CE(sat)} \times I_c$。$V_{CE(sat)} $越低越好这意味着效率更高发热更少。5.2 集电极-发射极穿透电流集电极-发射极穿透电流$I_{CEO}$是指三极管在基极开路$I_B0$的情况下集电极C与发射极E之间加上一定反向电压时流过集电极和发射极的电流 。$I_{CEO} (1 \beta) I_{CBO}$$I_{CBO}$是集电结本身的漏电流。$I_{CEO} $相当于把集电结的漏电流 $I_{CBO} $放大了 $(1\beta)$ 倍。$I_{CEO} $受温度影响极大。温度升高$I_{CEO} $增大三极管功耗$PU \times I$增加结温进一步升高如果不加控制可能导致三极管过热烧毁。$I_{CEO} $越小说明管子质量越好热稳定性越强。硅管的$I_{CEO} $远小于锗管硅管通常在微安甚至纳安级锗管可达几百微安。需要注意的是在实际应用中除了满足基本导通条件外还需要根据具体电路需求计算合适的偏置电阻值确保三极管工作在预期的放大区或饱和区 。$\Beta$
