三极管

三极管（triode）是一种控制电流的元器件，按结构原理可分为真空三极管和晶体三极管。但真空三极管已基本淘汰，所以目前默认三极管是晶体三极管（以下主要介绍晶体三极管）。晶体三极管也称为双极型三极管、半导体三极管。在一块半导体基片上制成两个相距很近的PN结，这两个PN结把整块半导体分成三部分，即得到晶体三极管。其中间部分是基（极）区B，两侧部分是发射（极）区E和集电（极）区C。晶体三极管半导体排列方式有PNP和NPN两种。^{[1][2][6][7][8]}

世界上第一个三极管是真空三极管，由美国发明家弗雷斯特发明，但是真空三极管存在笨重、耗能、反应慢等缺点。1947年12月23日，美国贝尔实验室的3位科学家——巴丁博士、布莱顿博士和肖克莱博士发明了晶体三极管。早期三极管材料为锗晶体，后期改为性能更优异的硅晶体。现在三极管已成为集成电路等电子电路领域的重要组成部分。^[6][7][8][9]

三极管是一种控制器件，也是电子电路核心器件，可用来对微弱信号进行放大或作为无触头开关。三极管实现放大作用的条件是发射极加正偏电压，集电极加反偏电压，并且基区宽度足够小。三极管在电路中还具有变阻、变容、稳压、功放等作用。同时具有结构牢固、寿命长、体积小、耗电省等一系列独特优点。^{[4][10][11][12]}

三极管从出现以来，以构造简单，开关速度高而广泛应用，它为集成电路的发展做出了卓越的贡献，并为计算机的发展铺平了道路。它是电子学的开端，并推动了人类文明的进程。^[13]

世界上第一个三极管是真空三极管，该种三极管是一种电子管，由美国发明家弗雷斯特发明。1906年6月26日该发明被正式授予发明专利。相较于真空二极管的检波功能，真空三极管能够实现电流放大功能，并增大电子设备间的通信距离。1910年德国科学家发明分子泵，使真空三极管的真空度提高，进而提高使用寿命。由此真空三极管广泛应用于远程无线电通讯等领域。^[6]

真空三极管存在笨重、耗能、反应慢等缺点。二战时，军事上急切需要一种稳定可靠、快速灵敏的电信号放大元件，而研究成果在二战结束后获得。^[7]

1947年12月23日，美国贝尔实验室的3位科学家——巴丁博士、布莱顿博士和肖克莱博士发明了晶体三极管。因其在圣诞节前发明，且对人们未来生活产生巨大影响，所以被称为 “献给世界的圣诞节礼物”。这三位科学家因此共同荣获1956年诺贝尔物理学奖。^[7][8]

晶体管（包括晶体三极管）虽然从技术意义上完成了革命，但是在实际应用中要代替电子管还不得不面临市场的考验。1951年，用合金方法制造的锗晶体管已经问世，有了比较稳定的放大性能，但实际应用上还远远不如电子管，存在着频率特性差、噪声大、功率低、寿命短等缺点。随着工艺结构的不断改进，锗、硅等半导体材料的纯度逐渐提高，晶体管的优势因此日渐显现。^[14]

1956年，用扩散方法成功制作出晶体管，使晶体管的频率性能和功率容量大大提高，晶体管技术步入成熟阶段，各种高频晶体管陆续问世，锗管则逐渐被淘汰。^[9][14]

晶体管自诞生之后不断小型化，并带动了制造工艺的创新，而从合金工艺制作到平面工艺制作的创新使晶体管小型化迈出更大的一步。平面工艺不仅把半导体器件的生产推进到大批量生产的新阶段，而且为集成电路的诞生奠定了工业技术基础。^[14]

经过半个世纪的发展，晶体三极管变得种类繁多，形貌各异。同时晶体管带来并促进了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它首先及时、普遍地在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，于是高速电子计算机之类的高精密装置的制造成为可能。^[9]

真空三极管由真空二极管演变而来。如图，真空二极管也称电子二极管，是电子管中结构最简单的一种，管内只有一个阴极（负极）和一个阳极（正极）。在真空二极管的阳极和阴极之间加装一个栅状或网状的电极，就构成了真空三极管。在真空三极管中，栅状电极称为控制栅极或第一栅极，改变加在栅极上的电压时，就能改变阳极电流的大小。相比于阳极电压，栅极电压的改变引起的阳极电流的改变量更大。真空三极管可做成各种放大器、振荡器、调制器、脉冲发生器以及其他电子装置。但目前真空三极管已基本被晶体三极管取代，电子管也多被晶体管取代。^[7][15][16]

三极管顾名思义具有三个电极，这三个电极分别为处于中间位置的基极（区）B，集电极（区）C和发射极（区）E，其中箭头方向表示发射极正偏时发射极电流的实际方向。由于不同的组合方式，晶体三极管可分为NPN型三极管和PNP型三极管。^[5]

三极管的核心组成部分是半导体，其中包含P型半导体和N型半导体，它们之间的界面称为PN结。在半导体中同时存在着电子导电和空穴导电，但由于这两种（电子和空穴）载流子数量很少，所以无杂质的半导体导电能力远不如自由电子丰富的金属。如果在半导体中掺入少量的杂质，半导体的导电性能将会大大的改善。如在纯净的半导体硅（Si）中掺入少量的磷（P）等五价元素，就构成了电子型半导体（简称N型半导体）；或掺入硼（B）等三价元素，就构成了空穴型半导体（简称P型半导体）。晶体三极管的三个电极既可以是P型半导体，也可以是N型半导体。^[17]

晶体三极管的发射区掺杂浓度高，适合发射大量载流子；基区杂质浓度低，具有高纯度和高迁移率，有利于控制电流；集电区面积大，可收集大量载流子。以NPN型三极管为例，当在发射区和基区之间施加一个小信号电压时，少量的载流子将在PN结处产生。这些载流子将通过内建电场和扩散效应穿过PN结，进入基区。在基极中，一些载流子将与基区的空穴复合，形成一个较小的电流。这个电流将被集电区收集，产生一个较大的电流，其大小与发射区和基区之间的电压有关。^[18]

真空三极管已基本淘汰，因此本章主要介绍晶体三极管（下文简称三极管）的工作原理。^[10]

三极管的主要工作原理是实现电流的放大作用，即放大原理。通常实现放大原理须要求输入端的PN结（发射结）正向偏置，输出端PN结（集电结）反向偏置（即电流流向为从P型半导体流向N型半导体），同时基区宽度足够小。下面从载流子的传输过程说明NPN型三极管的放大原理（对PNP型三极管，情况类似）。^[10]

由于发射结正向偏置，发射区将向基区注入电子，同时基区向发射区注入空穴。总的发射极电流由这两个电流分量组成，方向向外。为了使晶体管有较大的电流放大能力，通常发射区的掺杂浓度要比基区的掺杂浓度高得多，根据PN结伏安特性的特点，发射极电流主要由高掺杂发射区向基区注入（或为发射）的电子电流组成，这也是该PN结称为”发射结“的原因。^[10]

发射区向基区注入的大量电子比基区中的平衡少子电子多得多，因此在发射结的基区一侧边界处就有非平衡少子的积累，形成非平衡少子电子在基区的扩散运动。扩散的电子一部分要在扩散过程中与基区的多子空穴复合。为了使三极管有较大的电流放大能力，基区宽度必须比非平衡少子在基区的扩散长度小得多，此时电子在基区的复合就很少，大部分均能扩散到集电结。^[10]

由于集电结反向偏置，根据PN结伏安特性可知，这时集电结在基区一侧边界处电子浓度基本为零，基区中非平衡少子呈线性分布。基区中电子扩散到达该边界处时，立即被反偏集电结中的强电场吸收至集电极，成为集电极电流。当然，反偏的集电结本身也有一个反向饱和电流流过，但是与从发射结注入通过基区扩散到达的这部分电流相比，反向饱和电流可以忽略不计。^[10]

由以上分析可见，正是由于非平衡少子以扩散运动方式通过基极到达集电结，构成了三极管内部的电流传输。如果基区很宽，基区宽度比非平衡少子在基区的扩散长度大得多，则注入到基区的少子还未到达集电结之前已被基区全部复合掉，即输入端的电流没有传输到输出端，这时三极管的NPN结构相当于两个独立的PN结以背靠背的方式串联，不具有放大作用。^[10]

若记发射区通过发射结注入到基区的电子电流为，基区通过发射结注入到发射区的空穴电流为，则总的发射极电流为：^[10]

进入基区的电子电流在流向集电结的过程中在基区被复合掉一部分。记在基区复合的电流分量为，这部分电流成为基区电流的一部分。所以中通过基区到达集电结的电流为。另外在反偏的集电结中，有一个反向饱和电流从集电极流向基极，因此总的集电极电流和基极电流为：^[10]

以上各式定量表示了晶体三极管端电流与其内部各电流成分之间的关系。^[10]

三极管接入电路时，信号从一个电极输入，从另一个电极输出，第三个电极就称为输入与输出的公共端。因为公共端可以选取三极管的三个电极中的任意一个，所以三极管有三种不同的接法：共发射极接法、共基极接法和共集电极接法。^[19]

输出电路中的电流与输入电路中的电流之比就叫做该种接法下的电流放大系数。由于三种接法的输入回路和输出回路都是不同的，因而三种电路有三种不同的电流放大系数。但是三极管的三个极的电流分配关系不随接法不同而改变，即：^[20]

三极管在电路中具有放大、开关、变阻、变容、稳压、功放等作用。^[11]

1、放大作用：三极管能以小的基极电流来控制较大的集电极电流或以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量，在直流电路或交流电路中均能实现放大作用。^[11]

2、开关作用：三极管有放大、饱和、截止三种状态，利用其后两种状态可以实现开关作用。为了接近理想开关，三极管要工作于饱和或截止状态，而放大状态则只是在饱和、截止两状态相互转换的瞬间存在。显然，三极管的三种工作状态及之间的转换是它能作为开关使用的基础。^[11]

3、电容电阻变换状态：忽略三极管发射极的正向压降，三极管可以改变其所连接电容或电阻在电路中的等效电容或电阻。如在阻抗变换电路中三极管使输入电压的负载电阻被缩小为的倍。在电容变换电路中电源两端的等效电容则为的倍。^[11]

4、可变电阻作用：根据三极管的输出特性曲线可知，三极管的集电极和发射极之间相当于一个可变电阻。改变的大小就可以改变等效电阻的大小。^[11]

5、过流过压保护电路：如图所示，三极管、组成的复合管为调整管。而三极管可以保证调整管既不因过电流而烧坏，又不因过电压而击穿，最终保证调整管不超过其最大耗散功率。^[11]

6、恒流作用：三极管电路通过组合可以实现恒定电流。一旦电路确定，则电流将基本不变，相当于一个恒流源。^[11]

7、稳压作用：利用三极管可以做成多种稳压电路。如图，为调整管，调节输入电压与输出电压之间的差值，以便在一定范围内输入电压如何变化都能确保输出电压不变。管将其基极的采样电压与发射极的基准电压进行比较并放大，来控制调整管T1的基极电流，从而控制输出电流，输出电压。其稳压过程为^[11]

8、扩流作用：如图，三端稳压电源W7800的输出电流较小，输出电压为，即图中的，通过的放大，输出电流可比原来大几十倍。^[11]

9、功放作用：三极管功率放大电路很多，这里举一简单例子说明其作用。输入电压能提供的功率很小，很多情况下难以直接驱动负载，当接成如图的电路时，输出电压基本与输入电压接近，而输出电流极大增大，从而实现功率放大。^[11]

10、二极管作用：三极管几乎可以实现二极管的所有作用，如图连接后三极管变为二极管。在集成电路中总可以用三极管代替二极管。^[11]

三极管在电路中一般表现出三种工作状态：截止状态、饱和状态和放大状态。^[21]

截止状态：加在三极管发射极的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零时三极管的状态。通常为使三极管可靠截止，常使（小于死区电压），此时发射极和集电极均处于反向偏置状态，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态。^[21]

饱和状态：三极管的发射极正向偏置, 且加在发射极的电压大于PN结的导通电压, 集电极也正向偏置时三极管的状态。这种状态下基极电流和集电极电流较大，但集电极电流不再随着基极电流的变化而变化，三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，相当于开关的导通状态。^[21]

放大状态：三极管的发射极正向偏置, 且加在发射极的电压大于PN结的导通电压, 但集电极反向偏置时三极管的状态。这种状态下基极电流的微小变化, 会引起集电极电流的较大变化, 三极管具有电流放大作用。^[21]

晶体三极管的特性包括输入特性和输出特性。输入信号加在三极管的基极和发射极之间，发射极体现输入特性。描述三极管输入特性的参数是和。从集电极和发射极之间输出信号，集电极和发射极之间的电参数特性即为三极管的输出特性，描述三极管输出特性的参数有：。^[22]

当在发射极加入正向电压时，会产生一个基极电流。实际应用中，输入的信号有正有负（如正弦波），为了保证负信号也能够进行放大，就必须外加一个正向的门槛电压。该门槛电压与三极管材料有关，一般硅管取，锗管取。三极管的输入特性具有非线性，即使有了门槛电压，输入的信号幅值也不宜太大，否则，基极电流信号就会失真，不能够完全再现输入的电压波形。^[22]

三极管的输出特性如图所示，横坐标表示集电极和发射极间的电压，纵坐标表示集电极电流，在两个轴之间的曲线族分别标注了基极电流的值。当值很小时（约0.3），集电极电流较大，可以近似看成集电极和发射极导通，称之为饱和导通，这个靠近纵轴的区域称为饱和区；同样的，当基极电流很小近似为零而较大时，可以近似看成集电极和发射极之间截止（近似断开），这个靠近横轴的区域称为截止区。图中两虚线之间的区域称为放大区，该区域中的曲线之间间距近似相等，表示基极电流等量变化时，和之间的关系。放大区是较好的放大信号区域，而截止区和饱和区无法正常放大信号。^[22]

三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途，下面介绍常见分类。^[4][13]

真空三极管：在真空二极管的阴极和阳极之间添加了另一个电极，就构成了真空三极管。在晶体管诞生之前，电信号的放大主要通过电子管（真空三极管）。真空三极管还可做成各种放大器、振荡器、调制器、脉冲发生器以及其他电子装置。但是真空三极管制作起来较困难、寿命短,而且体积大、耗能高、易损坏。^[16][23]

晶体三极管：可分为NPN型三极管和PNP型三极管，在发射结正向偏置，集电结反向偏置时导通，同样具有电流放大作用。晶体三极管广泛应用于电子电路中，具有放大、开关、变阻、变容、稳压、功放等作用，同时具有结构牢固、寿命长、体积小、耗电省等一系列独特优点。^{[5][11][12][10]}

放大管：应用在模拟电路中，用来放大电路中的电流信号，此时三极管处于放大状态。需要注意的是，三极管的发射极与集电极的功能不同，在将三极管用作放大管时，其发射极和集电极不能互换，否则管子的参数和特性将发生变化。^[4][24]

开关管：应用在数字电路中。三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关，它截止时相当于开关断开，饱和时相当于开关闭合。三极管作为开关管时，输出电压与输入电压值大小无关，但三极管的导通与截止也有一个时间响应问题，即开关速度问题。所以在高频电路中，要选取专用的开关管。^[4][25]

达林顿管：也称复合晶体管。将两个或多个三极管的集电极连在一起，将第一个三极管的发射极直接接到第二个三极管的基极，依次级联而成，最后引出E、B、C三个电极，组成一个等效三极管。这只等效三极管的放大倍数是原来若干个三极管电流法放大倍数之积，故其电流放大倍数非常高。达林顿管具有放大倍数高、输入阻抗大、热稳定性好、开关速度快、电路简单的优点，常用于稳压电源电路、大功率开关电路、音频功率放大电路、电机调速电路、逆变电路、LED显示器电路等。^[26]

光敏三极管：也称光电三极管，电流受外部光照控制。光敏三极管相当于在三极管的基极和集电极之间接入了一个光电二极管，光电二极管的电流相当于三极管的基极电流。光电三极管一般仅引出集电极和发射极，基极作为光接收窗口，并根据光照强度控制集电极电流大小。无光照时，光电三极管处于截止状态，无电信号输出。当光信号照射基极时，光电三极管导通，首先通过光电二极管实现光电转换，再经由三极管实现光电流放大。光敏三极管主要用于光电自动控制电路、光耦合电路、光探测电路、光接收电路、编译译码电路等。^[26]

NPN型三极管：常用的三极管，电流从集电极流向发射极。^[4]

PNP型三极管：电流从发射极流向集电极，与NPN型三极管电路图形的箭头方向不同。^[4]

硅三极管：简称硅管，常用的三极管，工作稳定性好。^[4]

锗三极管：简称锗管，反向电流大，受温度影响大。^[4]

一般地，在已知三极管极性后，可通过万用表测量该管是硅管还是锗管。将万用表拨到适宜的电阻挡。对于NPN型三极管，正表笔接发射极E，负表笔接基极B；而对于PNP型三极管，则需要将负表笔接发射极E，正表笔接基极B。线路接好后给发射极加上正向电压，读取万用表电压确定的大小后，即可区分硅管和锗管。一般锗管的发射极正向电压，硅管。^[27]

按工作频率分：可分为低频三极管和高频三极管。其中低频三极管的工作频率较低，用于直流放大器、音频放大器等电路。高频三极管的工作频率较高，用于高频放大器电路。^[4]

按功率分：可分为小功率三极管、中功率三极管和大功率三极管。其中，小功率三极管的输出功率小，用于前级放大器电路；中功率三极管的输出功率较大，用于功率放大器输出级或末级电路；大功率三极管的输出功率很大，用于功率放大器输出级电路。^[4][13]

按封装材料分：可分为塑料封装三极管和金属封装三极管。其中，小功率三极管常采用塑料封装，一般在普通电路中起放大、振荡或开关的作用；而金属封装三极管的外壳为金属，不仅散热性能好，而且金属能屏蔽外界电磁干扰。一部分大功率三极管和高频三极管采用这种封装。^[26]

按安装形式分：可分为插件三极管和贴片三极管。其中，大量的三极管采用插件形式，3根引脚通过电路板上的引脚孔伸到背面铜箔电路上，用焊锡焊接；而贴片三极管的引脚非常短，直接装在电路板铜箔电路一面，用焊锡焊接。^[28]

三极管的应用有信号放大、开关电路、数字逻辑电路、传感器等。^[29]

信号放大：三极管处于放大状态时具有电流放大作用, 利用这一特点, 三极管常用在模拟放大电路中。三极管的放大作用也使其成为音频和射频等信号放大电路的核心元件。小信号被输入到发射极和基极之间，通过三极管的放大作用可以得到增强。如在收音机中，三极管用于将微弱的无线信号放大为可听的音频信号。^[21][29]

开关电路：三极管可用于开关电路。通过控制基极信号的通断，可以实现开关电路的开关功能。当基极没有信号时，发射极和集电极之间处于截止状态；当基极有信号时，发射极和集电极之间将导通。常见应用有彩色电视机、通信设备的开关电源、驱动电路、蜂鸣器、继电器等器件。此外，该功能还可用于开关电路、高频振荡电路、模数转换电路、脉冲电路、低频功率放大电路、电流调整等。在冶金、机械、纺织等工业自动控制系统中, 光电开关也可作指示信号, 指示加工工件是否存在或存在的位置。^[21]

数字逻辑电路：在数字逻辑电路中，三极管可用作开关元件，用于实现逻辑门的功能。在与门、或门和非门等逻辑门中，三极管可以构成复杂的数字逻辑电路，用于计算机、通信设备和其他电子设备。^[29]

传感器：三极管还可用作传感器。三极管的电流或电压输出与温度或压力等待测物理量相关，通过测量三极管的输出信号，可以获得相应的物理量值，由此原理可得到温度传感器和压力传感器等。^[29]

晶体三极管的参数反映了三极管各种性能的指标，是分析三极管电路和选用三极管的依据。下面介绍几种主要的参数指标。^{[30][31][32][33][34]}

共发射极电流放大系数：三极管在共射极连接时，某工作点处（直流或交流）电流与的比值。值太小时，放大作用差；值太大时，工作性能不稳定；故一般选用为30～80。^[30][31][33]

共基极电流放大系数：为三极管在共基极连接时，某工作点处与 的比值，与值相差不大，通常混用不加区别。^[30][31][33]

集-基反向饱和电流：发射极开路，在集电极与基极之间加上一定的反向电压时，所对应的反向电流。在一定温度下，是一个常量；随着温度的升高将增大，它是三极管工作不稳定的主要因素；在相同环境温度下，硅管的比锗管的小得多。^[32][34]

穿透电流：基极开路，集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。该电流好像集电极直通发射极一样，故称穿透电流。和一样，也是衡量三极管热稳定性的重要参数。^[32][34]

共射极截止频率：当频率升高到使值下降到中频段的0.707倍时，所对应的频率称为截止频率。需要注意的是，达到截止频率并不意味着此时三极管失去放大作用，而只是表示下降到中频时的70％左右，或的对数幅频特性下降3dB。^[30][31][32]

特征频率：值下降到=1时所对应的频率。在～的范围内，值与几乎成线性关系，越高，越小，当工作频率时，三极管便失去了放大能力。^[30][31][32]

最大允许集电极耗散功率：三极管集电极受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时，集电极耗散的最大功率。当实际功耗大于时，不仅会使管子的参数发生变化，甚至还会烧坏管子。^[32][34]

最大允许集电极电流：值下降到额定值的（或）时所对应的集电极电流。当很大时，值逐渐下降；当时，值已减小到不实用的程度，且有烧毁管子的可能。^[32][34]

反向击穿电压：发射极开路时的集电极击穿电压。下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，C、B代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路，同理还有、等参数。^[32][34]

根据国家标准GB\T249-2017，半导体（包括二极管和三极管）器件命名包含五个部分。^[35]

由第一部分到第五部分组成的器件型号的符号及其意义如下表：^[35]

参考来源：^[35]

示例：3DG6C表示硅NPN型高频小功率晶体管。^[35]