三極管原理及應用的詳細講解

三極管

半導體三極管也稱為晶體三極管，可以說它是電子電路中最重要的器件。三極管顧名思義具有三個電極。二極管是由一個PN結構成的，而三極管由兩個PN結構成，共用的一個電極成為三極管的基極（用字母b表示）。其他的兩個電極成為集電極（用字母c表示）和發射極（用字母e表示）。由于不同的組合方式，形成了一種是NPN型的三極管，另一種是PNP型的三極管。

晶體三極管的結構和類型

晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。它最主要的功能是電流放大和開關作用。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把正塊半導體分成三部分，中間部分是基區，兩側部分是發射區和集電區，排列方式有PNP和NPN兩種。三極管的結構示意圖如圖1所示，電路符號如圖2所示。

從三個區引出相應的電極，分別為基極b發射極e和集電極c。發射區和基區之間的PN結叫發射結，集電區和基區之間的PN結叫集電極。基區很薄，而發射區較厚，雜質濃度大，PNP型三極管發射區"發射"的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發射極箭頭向里；NPN型三極管發射區"發射"的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，故發射極箭頭向外。發射極箭頭向外。發射極箭頭指向也是PN結在正向電壓下的導通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。

三極管的材料

三極管的材料有鍺材料和硅材料。它們之間最大的差異就是起始電壓不一樣。鍺管PN結的導通電壓為0.2V左右，而硅管PN結的導通電壓為0.6～0.7V。在放大電路中如果用同類型的鍺管代換同類型的硅管，或用同類型的硅管代換同類型的鍺管一般是可以的，但都要在基極偏置電壓上進行必要的調整，因為它們的起始電壓不一樣。但在脈沖電路和開關電路中不同材料的三極管是否能互換必須具體分析，不能盲目代換。

三極管的封裝形式和管腳識別

常用三極管的封裝形式有金屬封裝和塑料封裝兩大類，引腳的排列方式具有一定的規律。對于小功率金屬封裝三極管，底視圖位置放置，使三個引腳構成等腰三角形的頂點上，從左向右依次為e b c；對于中小功率塑料三極管按圖使其平面朝向自己，三個引腳朝下放置，則從左到右依次為e b c。

目前，國內各種類型的晶體三極管有許多種，管腳的排列不盡相同，在使用中不確定管腳排列的三極管，必須進行測量確定各管腳正確的位置，或查找晶體管使用手冊，明確三極管的特性及相應的技術參數和資料。

晶體三極管的電流放大作用

晶體三極管具有電流放大作用，其實質是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數，用符號“β”表示。電流放大倍數對于某一只三極管來說是一個定值，但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。

晶體三極管的三種工作狀態

截止狀態：當加在三極管發射結的電壓小于PN結的導通電壓，基極電流為零，集電極電流和發射極電流都為零，三極管這時失去了電流放大作用，集電極和發射極之間相當于開關的斷開狀態，我們稱三極管處于截止狀態。

放大狀態：當加在三極管發射結的電壓大于PN結的導通電壓，并處于某一恰當的值時，三極管的發射結正向偏置，集電結反向偏置，這時基極電流對集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數β＝ΔIc/ΔIb，這時三極管處放大狀態。

飽和導通狀態：當加在三極管發射結的電壓大于PN結的導通電壓，并當基極電流增大到一定程度時，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不怎么變化，這時三極管失去電流放大作用，集電極與發射極之間的電壓很小，集電極和發射極之間相當于開關的導通狀態。三極管的這種狀態我們稱之為飽和導通狀態。

根據三極管工作時各個電極的電位高低，就能判別三極管的工作狀態，因此，電子維修人員在維修過程中，經常要拿多用電表測量三極管各腳的電壓，從而判別三極管的工作情況和工作狀態。

使用多用電表檢測三極管

三極管基極的判別：根據三極管的結構示意圖，我們知道三極管的基極是三極管中兩個PN結的公共極，因此，在判別三極管的基極時，只要找出兩個PN結的公共極，即為三極管的基極。具體方法是將多用電表調至電阻擋的R×1k擋，先用紅表筆放在三極管的一只腳上，用黑表筆去碰三極管的另兩只腳，如果兩次全通，則紅表筆所放的腳就是三極管的基極。如果一次沒找到，則紅表筆換到三極管的另一個腳，再測兩次；如還沒找到，則紅表筆再換一下，再測兩次。如果還沒找到，則改用黑表筆放在三極管的一個腳上，用紅表筆去測兩次看是否全通，若一次沒成功再換。這樣最多沒量12次，總可以找到基極。

三極管類型的判別：三極管只有兩種類型，即ＰＮＰ型和ＮＰＮ型。判別時只要知道基極是Ｐ型材料還Ｎ型材料即可。當用多用電表R×1k擋時，黑表筆代表電源正極，如果黑表筆接基極時導通，則說明三極管的基極為Ｐ型材料，三極管即為ＮＰＮ型。如果紅表筆接基極導通，則說明三極管基極為Ｎ型材料，三極管即為ＰＮＰ型。

半導體三極管的參數

半導體三極管的參數分為直流參數、交流參數和極限參數三大類。

(1) 直流參數

1）直流電流放大系數

在放大區基本不變。在共發射極輸出特性曲線上，通過垂直于X軸的直線(vCE=const)來求取IC / IB ，如圖3所示。在IC較小時和IC較大時，會有所減小，這一關系見圖4。

2）極間反向電流

①集電極-基極間反向飽和電流ICBO

ICBO的下標CB代表集電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個電極E開路。它相當于集電結的反向飽和電流。

②集電極-發射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO和ICBO有如下關系:

相當基極開路時，集電極和發射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應的Y坐標的數值，如圖5所示。

(2) 交流參數

1）交流電流放大系數

①共發射極交流電流放大系數β

在放大區，β值基本不變，可在共射接法輸出特性曲線上，通過垂直于X軸的直線求取△IC/△IB。或在圖02.08上通過求某一點的斜率得到β。具體方法如圖6所示

2）特征頻率fT

三極管的β值不僅與工作電流有關，而且與工作頻率有關。由于結電容的影響，當信號頻率增加時，三極管的β將會下降。當β下降到1時所對應的頻率稱為特征頻率，用fT表示。

(3)極限參數

1）集電極最大允許電流ICM

如圖02.08所示，當集電極電流增加時，β 就要下降，當β值下降到線性放大區β值的70～30％時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于β值下降多少，不同型號的三極管，不同的廠家的規定有所差別。可見，當IC＞ICM時，并不表示三極管會損壞。

2）集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過集電結時所產生的功耗， PCM= ICVCB≈ICVCE，因發射結正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結上。在計算時往往用VCE取代VCB。

3）反向擊穿電壓

反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力，其測試時的原理電路如圖7所示。

①V(BR)CBO--發射極開路時的集電結擊穿電壓。下標BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，C、B代表集電極和基極，O代表第三個電極E開路。

②V(BR)EBO--集電極開路時發射結的擊穿電壓。

③V(BR)CEO--基極開路時集電極和發射極間的擊穿電壓。

對于V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示BE間是短路的。幾個擊穿電壓在大小上有如下關系：

V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO

由最大集電極功率損耗PCM、ICM和擊穿電壓V(BR)CEO，在輸出特性曲線上還可以確定過損耗區、過電流區和擊穿區，見圖8。

半導體三極管的型號

國家標準對半導體三極管的命名如下

第二位：A表示鍺PNP管、B表示鍺NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管第三位：X表示低頻小功率管、D表示低頻大功率管、G表示高頻小功率管、A表示高頻小功率管、K表示開關管。

表1 雙極型三極管的參數

三極管的選用

（1） 一般小功率三極管的選用

小功率三極管在電子電路中的應用最多。主要用作小信號的放大、控制或振蕩器。選用三極管時首先要搞清楚電子電路的工作頻率大概是多少。如中波收音機振蕩器的最高頻率是2MHz左右；而調頻收音機的最高振蕩頻率為120MHz左右；電視機中VHF頻段的最高振蕩頻率為250MHz左右；UHF頻段的最高振蕩頻率接近1000MHz左右。工程設計中一般要求三極管的fT大于3倍的實際工作頻率。所以可按照此要求來選擇三極管的特征頻率fT。由于硅材料高頻三極管的fT一般不低于50MHz，所以在音頻電子電路中使用這類管子可不考慮fT這個參數。

小功率三極管BVCEO的選擇可以根據電路的電源電壓來決定，一般情況下只要三極管的BVCEO大于電路中電源的最高電壓即可。當三極管的負載是感性負載時，如變壓器、線圈等時BVCEO數值的選擇要慎重，感性負載上的感應電壓可能達到電源電壓的2～8倍(如節能燈中的升壓三極管)。一般小功率三極管的BVCEO都不低于15V，所以在無電感元件的低電壓電路中也不用考慮這個參數。

一般小功率三極管的ICM在30～50mA之間，對于小信號電路一般可以不予考慮。但對于驅動繼電器及推動大功率音箱的管子要認真計算一下。當然首先要了解繼電器的吸合電流是多少毫安，以此來確定三極管的ICM。

當我們估算了電路中三極管的工作電流(即集電極電流)，又知道了三極管集電極到發射極之間的電壓后，就可根據P=U×I來計算三極管的集電極最大允許耗散功率PCM。

國產及國外生產的小功率三極管的型號極多，它們的參數有一部分是相同的，有一部分是不同的。只要你根據以上分析的使用條件，本著“大能代小”的原則(即BVCEO高的三極管可以代替BVCEO低的三極管；ICM大的三極管可以代替ICM小的三極管等），就可對三極管應用自如了。

（2） 大功率三極管的選用

對于大功率三極管，只要不是高頻發射電路，我們都不必考慮三極管的特征頻率fT。對于三極管的集電極-發射極反向擊穿電壓BVCEO這個極限參數的考慮與小功率三極管是一樣的。對于集電極最大允許電流ICM的選擇主要也是根據三極管所帶的負載情況而計算的。三極管的集電極最大允許耗散功率PCM是大功率三極管重點考慮的問題，需要注意的是大功率三極管必須有良好的散熱器。即使是一只四五十瓦的大功率三極管，在沒有散熱器時，也只能經受兩三瓦的功率耗散。大功率三極管的選擇還應留有充分的余量。另外在選擇大功率三極管時還要考慮它的安裝條件，以決定選擇塑封管還是金屬封裝的管子。

如果你拿到一只三極管又無法查到它的參數，可以根據它的外形來推測一下它的參數。目前小功率三極管最多見的是TO-92封裝的塑封管，也有部分是金屬殼封裝。它們的PCM一般在100～500mW之間，最大的不超過1W。它們的ICM一般在50～500mA之間，最大的不超過1.5A。而其它參數是不好判斷的。

在修理電子設備中還會遇到形形色色的半導體元器件，它們的替換還需查閱有關手冊。

三極管的其他應用

三極管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的電信號變成一定強度的信號，當然這種轉換仍然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉換成信號的能量罷了。三極管有一個重要參數就是電流放大系數β。當三極管的基極上加一個微小的電流時，在集電極上可以得到一個是注入電流β倍的電流，即集電極電流。集電極電流隨基極電流的變化而變化，并且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化，這就是三極管的放大作用。

三極管還可以作電子開關，配合其它元件還可以構成振蕩器。

半導體三極管除了構成放大器和作開關元件使用外，還能夠做成一些可獨立使用的兩端或三端器件

（1）擴流。

把一只小功率可控硅和一只大功率三極管組合，就可得到一只大功率可控硅，其最大輸出電流由大功率三極管的特性決定，見附圖9（a）。圖9（b）為電容容量擴大電路。利用三極管的電流放大作用，將電容容量擴大若干倍。這種等效電容和一般電容器一樣，可浮置工作，適用于在長延時電路中作定時電容。用穩壓二極管構成的穩壓電路雖具有簡單、元件少、制作經濟方便的優點，但由于穩壓二極管穩定電流一般只有數十毫安，因而決定了它只能用在負載電流不太大的場合。圖9（c）可使原穩壓二極管的穩定電流及動態電阻范圍得到較大的擴展，穩定性能可得到較大的改善。

（2）代換。

圖9（d）中的兩只三極管串聯可直接代換調光臺燈中的雙向觸發二極管；圖9（e）中的三極管可代用 8V 左右的穩壓管。圖9（f）中的三極管可代用 30V 左右的穩壓管。上述應用時，三極管的基極均不使用。

（3）模擬。

用三極管夠成的電路還可以模擬其它元器件。大功率可變電阻價貴難覓，用圖9（g）電路可作模擬品，調節510電阻的阻值，即可調節三極管C、E兩極之間的阻抗，此阻抗變化即可代替可變電阻使用。圖9（h）為用三極管模擬的穩壓管。其穩壓原理是：當加到A、B兩端的輸入電壓上升時，因三極管的B、E結壓降基本不變，故R2兩端壓降上升，經過R2的電流上升，三極管發射結正偏增強，其導通性也增強，C、E極間呈現的等效電阻減小，壓降降低，從而使AB端的輸入電壓下降。調節R2即可調節此模擬穩壓管的穩壓值。

中、小功率三極管的檢測

（1）已知型號和管腳排列的三極管，可按下述方法來判斷其性能好壞

1）測量極間電阻。將萬用表置于R×100或R×1K擋，按照紅、黑表筆的六種不同接法進行測試。其中，發射結和集電結的正向電阻值比較低，其他四種接法測得的電阻值都很高，約為幾百千歐至無窮大。但不管是低阻還是高阻，硅材料三極管的極間電阻要比鍺材料三極管的極間電阻大得多。

2）三極管的穿透電流ICEO的數值近似等于管子的倍數β和集電結的反向電流ICBO的乘積。ICBO隨著環境溫度的升高而增長很快，ICBO的增加必然造成ICEO的增大。而ICEO的增大將直接影響管子工作的穩定性，所以在使用中應盡量選用ICEO小的管子。

通過用萬用表電阻直接測量三極管e－c極之間的電阻方法，可間接估計ICEO的大小，具體方法如下：

萬用表電阻的量程一般選用R×100或R×1K擋，對于PNP管，黑表管接e極，紅表筆接c極，對于NPN型三極管，黑表筆接c極，紅表筆接e極。要求測得的電阻越大越好。e－c間的阻值越大，說明管子的ICEO越小；反之，所測阻值越小，說明被測管的ICEO越大。一般說來，中、小功率硅管、鍺材料低頻管，其阻值應分別在幾百千歐、幾十千歐及十幾千歐以上，如果阻值很小或測試時萬用表指針來回晃動，則表明ICEO很大，管子的性能不穩定。

3）測量放大能力(β)。目前有些型號的萬用表具有測量三極管hFE的刻度線及其測試插座，可以很方便地測量三極管的放大倍數。先將萬用表功能開關撥至?擋，量程開關撥到ADJ位置，把紅、黑表筆短接，調整調零旋鈕，使萬用表指針指示為零，然后將量程開關撥到hFE位置，并使兩短接的表筆分開，把被測三極管插入測試插座，即可從hFE刻度線上讀出管子的放大倍數。

另外：有此型號的中、小功率三極管，生產廠家直接在其管殼頂部標示出不同色點來表明管子的放大倍數β值，其顏色和β值的對應關系如表所示，但要注意，各廠家所用色標并不一定完全相同。

（2）檢測判別電極

1）判定基極。用萬用表R×100或R×1k擋測量三極管三個電極中每兩個極之間的正、反向電阻值。當用第一根表筆接某一電極，而第二表筆先后接觸另外兩個電極均測得低阻值時，則第一根表筆所接的那個電極即為基極b。這時，要注意萬用表表筆的極性，如果紅表筆接的是基極b。黑表筆分別接在其他兩極時，測得的阻值都較小，則可判定被測三極管為PNP型管；如果黑表筆接的是基極b，紅表筆分別接觸其他兩極時，測得的阻值較小，則被測三極管為NPN型管。

2）判定集電極c和發射極e。(以PNP為例)將萬用表置于R×100或R×1K擋，紅表筆基極b，用黑表筆分別接觸另外兩個管腳時，所測得的兩個電阻值會是一個大一些，一個小一些。在阻值小的一次測量中，黑表筆所接管腳為集電極；在阻值較大的一次測量中，黑表筆所接管腳為發射極。

3）判別高頻管與低頻管 高頻管的截止頻率大于3MHz，而低頻管的截止頻率則小于3MHz，一般情況下，二者是不能互換的。

4）在路電壓檢測判斷法

在實際應用中、小功率三極管多直接焊接在印刷電路板上，由于元件的安裝密度大，拆卸比較麻煩，所以在檢測時常常通過用萬用表直流電壓擋，去測量被測三極管各引腳的電壓值，來推斷其工作是否正常，進而判斷其好壞。

大功率晶體三極管的檢測

利用萬用表檢測中、小功率三極管的極性、管型及性能的各種方法，對檢測大功率三極管來說基本上適用。但是，由于大功率三極管的工作電流比較大，因而其PN結的面積也較大。PN結較大，其反向飽和電流也必然增大。所以，若像測量中、小功率三極管極間電阻那樣，使用萬用表的R×1k擋測量，必然測得的電阻值很小，好像極間短路一樣，所以通常使用R×10或R×1擋檢測大功率三極管。

（1）普通達林頓管的檢測

用萬用表對普通達林頓管的檢測包括識別電極、區分PNP和NPN類型、估測放大能力等項內容。因為達林頓管的E－B極之間包含多個發射結，所以應該使用萬用表能提供較高電壓的R×10K擋進行測量。

（2）大功率達林頓管的檢測

檢測大功率達林頓管的方法與檢測普通達林頓管基本相同。但由于大功率達林頓管內部設置了V3、R1、R2等保護和泄放漏電流元件，所以在檢測量應將這些元件對測量數據的影響加以區分，以免造成誤判。具體可按下述幾個步驟進行：

1）用萬用表R×10K擋測量B、C之間PN結電阻值，應明顯測出具有單向導電性能。正、反向電阻值應有較大差異。

2）在大功率達林頓管B－E之間有兩個PN結，并且接有電阻R1和R2。用萬用表電阻擋檢測時，當正向測量時，測到的阻值是B－E結正向電阻與R1、R2阻值并聯的結果；當反向測量時，發射結截止，測出的則是(R1＋R2)電阻之和，大約為幾百歐，且阻值固定，不隨電阻擋位的變換而改變。但需要注意的是，有些大功率達林頓管在R1、R2、上還并有二極管，此時所測得的則不是(R1＋R2)之和，而是(R1＋R2)與兩只二極管正向電阻之和的并聯電阻值。

（3）帶阻尼行輸出三極管的檢測

將萬用表置于R×1擋，通過單獨測量帶阻尼行輸出三極管各電極之間的電阻值，即可判斷其是否正常。具體測試原理，方法及步驟如下：

1）將紅表筆接E，黑表筆接B，此時相當于測量大功率管B－E結的等效二極管與保護電阻R并聯后的阻值，由于等效二極管的正向電阻較小，而保護電阻R的阻值一般也僅有20～50?，所以，二者并聯后的阻值也較小；反之，將表筆對調，即紅表筆接B，黑表筆接E，則測得的是大功率管B－E結等效二極管的反向電阻值與保護電阻R的并聯阻值，由于等效二極管反向電阻值較大，所以，此時測得的阻值即是保護電阻R的值，此值仍然較小。

2）將紅表筆接C，黑表筆接B，此時相當于測量管內大功率管B－C結等效二極管的正向電阻，一般測得的阻值也較小；將紅、黑表筆對調，即將紅表筆接B，黑表筆接C，則相當于測量管內大功率管B－C結等效二極管的反向電阻，測得的阻值通常為無窮大。

3）將紅表筆接E，黑表筆接C，相當于測量管內阻尼二極管的反向電阻，測得的阻值一般都較大，約300～∞；將紅、黑表筆對調，即紅表筆接D 黑表筆接E，則相當于測量管內阻尼二極管的正向電阻，測得的阻值一般都較小，約幾歐至幾十歐

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