三極管定義
三極管，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)， 也用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。晶體三極管，是半導(dǎo)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。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。
三極管參數(shù)
特征頻率fT：
當(dāng)f= fT時(shí)，三極管完全失去電流放大功能。如果工作頻率大于fT，電路將不正常工作.fT稱作增益帶寬積，即fT=βfo。若已知當(dāng)前三極管的工作頻率fo以及高頻電流放大倍數(shù)，便可得出特征頻率fT。隨著工作頻率的升高，放大倍數(shù)會(huì)下降．fT也可以定義為β=1時(shí)的頻率．
電壓/電流
用這個(gè)參數(shù)可以指定該管的電壓電流使用范圍。
hFE
電流放大倍數(shù)。
VCEO
集電極發(fā)射極反向擊穿電壓，表示臨界飽和時(shí)的飽和電壓。
PCM
最大允許耗散功率。
封裝形式指定該管的外觀形狀，如果其它參數(shù)都正確，封裝不同將導(dǎo)致組件無(wú)法在電路板上實(shí)現(xiàn)。
三極管結(jié)構(gòu)與原理：
三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反向連結(jié)的pn接面，如圖1所示，可有pnp和npn兩種組合。三個(gè)接出來(lái)的端點(diǎn)依序稱為射極（emitter， E）、基極（base， B）和集極（collector， C），名稱來(lái)源和它們?cè)谌龢O管操作時(shí)的功能有關(guān)。圖中也顯示出npn與pnp三極管的電路符號(hào)，射極特別被標(biāo)出，箭號(hào)所指的極為n型半導(dǎo)體，和二極體的符號(hào)一致。在沒(méi)接外加偏壓時(shí)，兩個(gè)pn接面都會(huì)形成耗盡區(qū)，將中性的p型區(qū)和n型區(qū)隔開(kāi)。
圖1 pnp（a）與npn（b）三極管的結(jié)構(gòu)示意圖與電路符號(hào)
三極管的電特性和兩個(gè)pn接面的偏壓有關(guān)，工作區(qū)間也依偏壓方式來(lái)分類，這里我們先討論最常用的所謂”正向活性區(qū)”（forward active），在此區(qū)EB極間的pn接面維持在正向偏壓，而BC極間的pn接面則在反向偏壓，通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。圖2（a）為一pnp三極管在此偏壓區(qū)的示意圖。 EB接面的空乏區(qū)由于在正向偏壓會(huì)變窄，載體看到的位障變小，射極的電洞會(huì)注入到基極，基極的電子也會(huì)注入到射極；而BC接面的耗盡區(qū)則會(huì)變寬，載體看到的位障變大，故本身是不導(dǎo)通的。圖2（b）畫的是沒(méi)外加偏壓，和偏壓在正向活性區(qū)兩種情形下，電洞和電子的電位能的分布圖。
三極管和兩個(gè)反向相接的pn二極管有什么差別呢？其間最大的不同部分就在于三極管的兩個(gè)接面相當(dāng)接近。以上述之偏壓在正向活性區(qū)之pnp三極管為例，射極的電洞注入基極的n型中性區(qū)，馬上被多數(shù)載體電子包圍遮蔽，然后朝集電極方向擴(kuò)散，同時(shí)也被電子復(fù)合。當(dāng)沒(méi)有被復(fù)合的電洞到達(dá)BC接面的耗盡區(qū)時(shí)，會(huì)被此區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)加速掃入集電極，電洞在集電極中為多數(shù)載體，很快藉由漂移電流到達(dá)連結(jié)外部的歐姆接點(diǎn)，形成集電極電流IC。 IC的大小和BC間反向偏壓的大小關(guān)系不大?；鶚O外部?jī)H需提供與注入電洞復(fù)合部分的電子流IBrec，與由基極注入射極的電子流InB？ E（這部分是三極管作用不需要的部分）。 InB？ E在射極與與電洞復(fù)合，即InB？ E=IErec。pnp三極管在正向活性區(qū)時(shí)主要的電流種類可以清楚地在圖3（a）中看出。
圖2 （a）一pnp三極管偏壓在正向活性區(qū)；（b）沒(méi)外加偏壓，和偏壓在正向活性區(qū)兩種情形下，電洞和電子的電位能的分布圖比較。
圖3 （a） pnp三極管在正向活性區(qū)時(shí)主要的電流種類；（b）電洞電位能分布及注入的情形；（c）電子的電位能分布及注入的情形。
一般三極管設(shè)計(jì)時(shí)，射極的摻雜濃度較基極的高許多，如此由射極注入基極 的射極主要載體電洞（也就是基極的少數(shù)載體）IpE？ B電流會(huì)比由基極注入射極 的載體電子電流InB？ E大很多，三極管的效益比較高。圖3（b）和（c）個(gè)別畫出電洞 和電子的電位能分布及載體注入的情形。同時(shí)如果基極中性區(qū)的寬度WB愈窄， 電洞通過(guò)基極的時(shí)間愈短，被多數(shù)載體電子復(fù)合的機(jī)率愈低，到達(dá)集電極的有效電 洞流IpE？ C愈大，基極必須提供的復(fù)合電子流也降低，三極管的效益也就愈高。 集電極的摻雜通常最低，如此可增大CB極的崩潰電壓，并減小BC間反向偏壓的 pn接面的反向飽和電流，這里我們忽略這個(gè)反向飽和電流。 由圖4（a），我們可以把各種電流的關(guān)系寫下來(lái)： 射極電流 基極電流 集電極電流。
如何提高三極管的開(kāi)關(guān)速度？
晶體管的開(kāi)關(guān)速度即由其開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)表征，開(kāi)關(guān)時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)速度就越快。BJT的開(kāi)關(guān)過(guò)程包含有開(kāi)啟和關(guān)斷兩個(gè)過(guò)程，相應(yīng)地就有開(kāi)啟時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff，晶體管的總開(kāi)關(guān)時(shí)間就是ton與toff之和。
如何提高晶體管的開(kāi)關(guān)速度？——可以從器件設(shè)計(jì)和使用技術(shù)兩個(gè)方面來(lái)加以考慮。
?。?）晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間
晶體管的開(kāi)關(guān)波形如圖1所示。其中開(kāi)啟過(guò)程又分為延遲和上升兩個(gè)過(guò)程，關(guān)斷過(guò)程又分為存儲(chǔ)和下降兩個(gè)過(guò)程，則晶體管總的開(kāi)關(guān)時(shí)間共有4個(gè)：延遲時(shí)間td，上升時(shí)間tr，存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf；
ton=td+tr， toff=ts+tf
在不考慮晶體管的管殼電容、布線電容等所引起的附加電容的影響時(shí)，晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間就主要決定于其本身的結(jié)構(gòu)、材料和使用條件。
① 延遲時(shí)間td ：
延遲時(shí)間主要是對(duì)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電的時(shí)間常數(shù)。因此，減短延遲時(shí)間的主要措施，從器件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有如：減小發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的面積（以減小勢(shì)壘電容）和減小基極反向偏壓的大小（以使得發(fā)射結(jié)能夠盡快能進(jìn)入正偏而開(kāi)啟晶體管）；而從晶體管使用來(lái)說(shuō)，可以增大輸入基極電流脈沖的幅度，以加快對(duì)結(jié)電容的充電速度（但如果該基極電流太大，則將使晶體管在導(dǎo)通后的飽和深度增加，這反而又會(huì)增長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間，所以需要適當(dāng)選取）。
② 上升時(shí)間tr ：
上升導(dǎo)通時(shí)間是基區(qū)少子電荷積累到一定程度、導(dǎo)致晶體管達(dá)到臨界飽和（即使集電結(jié)0偏）時(shí)所需要的時(shí)間。因此，減短上升時(shí)間的主要措施，從器件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)有如：增長(zhǎng)基區(qū)的少子壽命（以使少子積累加快），減小基區(qū)寬度和減小結(jié)面積（以減小臨界飽和時(shí)的基區(qū)少子電荷量），以及提高晶體管的特征頻率fT（以在基區(qū)盡快建立起一定的少子濃度梯度，使集電極電流達(dá)到飽和）；而從晶體管使用來(lái)說(shuō)，可以增大基極輸入電流脈沖的幅度，以加快向基區(qū)注入少子的速度（但基極電流也不能過(guò)大，否則將使存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)）。
?、?存儲(chǔ)時(shí)間ts ：
存儲(chǔ)時(shí)間就是晶體管從過(guò)飽和狀態(tài)（集電結(jié)正偏的狀態(tài)）退出到臨界飽和狀態(tài)（集電結(jié)0偏的狀態(tài)）所需要的時(shí)間，也就是基區(qū)和集電區(qū)中的過(guò)量存儲(chǔ)電荷消失的時(shí)間；。而這些過(guò)量少子存儲(chǔ)電荷的消失主要是依靠復(fù)合作用來(lái)完成，所以從器件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，減短存儲(chǔ)時(shí)間的主要措施有如：在集電區(qū)摻Au等來(lái)減短集電區(qū)的少子壽命（以減少集電區(qū)的過(guò)量存儲(chǔ)電荷和加速過(guò)量存儲(chǔ)電荷的消失；但是基區(qū)少子壽命不能減得太短，否則會(huì)影響到電流放大系數(shù)），盡可能減小外延層厚度（以減少集電區(qū)的過(guò)量存儲(chǔ)電荷）。而從晶體管使用來(lái)說(shuō)，減短存儲(chǔ)時(shí)間的主要措施有如：基極輸入電流脈沖的幅度不要過(guò)大（以避免晶體管飽和太深，使得過(guò)量存儲(chǔ)電荷減少），增大基極抽取電流（以加快過(guò)量存儲(chǔ)電荷的消失速度）。
?、?下降時(shí)間tf ：
下降時(shí)間的過(guò)程與上升時(shí)間的過(guò)程恰巧相反，即是讓臨界飽和時(shí)基區(qū)中的存儲(chǔ)電荷逐漸消失的一種過(guò)程。因此，為了減短下降時(shí)間，就應(yīng)該減少存儲(chǔ)電荷（減小結(jié)面積、減小基區(qū)寬度）和加大基極抽取電流。
總之，為了減短晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間、提高開(kāi)關(guān)速度，除了在器件設(shè)計(jì)上加以考慮之外，在晶體管使用上也可以作如下的考慮：a）增大基極驅(qū)動(dòng)電流，可以減短延遲時(shí)間和上升時(shí)間，但使存儲(chǔ)時(shí)間有所增加；b）增大基極抽取電流，可以減短存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間。
圖2
?。?）晶體管的增速電容器
在BJT采用電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，雖然減小基極外接電阻和增大基極反向電壓，可以增大抽取電流，這對(duì)于縮短存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間都有一定的好處。但是，若基極外接電阻太小，則會(huì)增大輸入電流脈沖的幅度，將使器件的飽和程度加深而反而導(dǎo)致存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)；若基極反向電壓太大，又會(huì)使發(fā)射結(jié)反偏嚴(yán)重而增加延遲時(shí)間，所以需要全面地進(jìn)行折中考慮。可以想見(jiàn)，為了通過(guò)增大基極驅(qū)動(dòng)電流來(lái)減短延遲時(shí)間和上升時(shí)間的同時(shí)、又不要增長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間和產(chǎn)生其它的副作用，理想的基極輸入電流波形應(yīng)該是如圖2所示階梯波的形式，這樣的階梯波輸入即可克服上述矛盾，能夠達(dá)到提高開(kāi)關(guān)速度的目的。
實(shí)際上，為了實(shí)現(xiàn)理想的基極電流波形，可以方便地采用如圖3所示的基極輸入回路（微分電路），圖中與基極電阻RB并聯(lián)的CB就稱為增速電容器。在基極輸入回路中增加一個(gè)增速電容器之后，雖然輸入的電流波形仍然是方波，但是通過(guò)增速電容器的作用之后，所得到的實(shí)際基極輸入電流波形就變得很接近于理想的基極電流波形了，于是就可以減短開(kāi)關(guān)時(shí)間、提高開(kāi)關(guān)速度。
