第二节 半导体器件的开关特性（三极管）

全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管。三极管（transistor）与二极管一样同样具有开关特性，而且三极管还具有电流驱动、电压变换等能力，因此三极管在逻辑电路设计有着不可替代的作用。早期的TTL（transistor-transistor logic）电路就是以三极管为基础发展起来的。虽然TTL电路一般属于中小规模电路，在后期发展中被MOS替代，但早期对逻辑电路的贡献是不可磨灭的，目前市面上可以见到的中小规模电路如TTL，LVTTL（low voltage TTL)电路仍然占主流地位。三极管不仅具有电流放大特性，同时具有开关特性，在数字电路中，我们主要以三极管的开关特性进行介绍，最终利用三极管实现TTL逻辑电路。

1. 三极管符号

• 原理图符号

三极管根据PN结的结构不同，有不同的符号。一般在原理图的设计中有如下的表示方法，其中9012与9013对应的两种小功率三极管的型号。

图1  PNP 型三极管 （9012）

图2  NPN型三极管（9013）

不同类别特殊功能或用途的三极管符号也不相同，如图3所示，

图3  不同类型三极管原理图符号

图4 三极管实物及封装对照图

2.三极管分类

三极管的分类在模拟电子技术课程将会详细介绍，这里仅仅给出简单分类介绍。

（1）如果按照制造材料分，可分为硅三极管和锗三极管。

（2）如果按照导电类型分，可分为PNP 型和NPN型。其中锗三极管多为PNP型，硅三极管多为NPN型。

（3）如果按照工作频率分，可分为低频管、高频管、超频管。一般低频管用的工作频率在3MHZ以下，高频管的工作频率可以达到几百MHZ，射频使用的三极管可达几G甚至几十G。

（4）如果按照允许耗散的功率大小分，可分为小功率管和大功率管。一般小功率管的额定功耗在1瓦以下，而大功率管的额定功耗在几十瓦以上。

（5）按功能分： 开关管、功率管、达林顿管、光敏管等。

（7）按安装方式：插件三极管、贴片三极管。

（8）按结构工艺分：合金管、平面管。

3. 三极管端子

三极管对外有三个端子，也称为三极管三个极，分别为基极（Base）、发射极（Emitter)和集电极（collector），如图5所示。为了简便，一般使用B或b表示基极,使用C或c表示集电极，使用E或e表示发射极。

图5

3. 三极管开关特性

三极管有三个工作区域，分别为截至区，放大区和饱和区。在数字电路中使用三极管不同于模拟电子，在模拟电子主要研究如何利用三极管进行信号放大，包括小信号放大以及功率放大等，而数字电路中主要使用截至区和放大区，即三极管的开关特性。因此在电路的设计中也与模拟电子对应的电路不同，在数字电路中一般使用直流通路。关于三极管的交流电路、交流通路、交流放大等方面的内容请参照模拟电子技术课程。

• 三极管直流工作原理图

图5  三极管直流工作原理图

三极管为电流控制的可变电流源，主要由基极电流控制集电极或发射极的电流行为。在放大区工作时I_c=βI_b 。但在截至区和饱和区并不满足这个条件。

• 三极管电压、电流计算

如图5所示的电路，分别计算三极管的三个极上的电压及流过的电流。图中发射极接地，对应的Ue=0；由于NPN三极管b、e是PN结，相当于一个2极管，因此在满足正偏的情况下，只有b、e之间的电压达到开启电压，该PN结才会导通。三极管b、e间的电压、电流用U_be、I_be表示，集电极与发射极之间的电压、电流分别用U_ce、I_c、I_e表示，其中I_e=I_c+I_b。由于Ue=0, 可以使用Ub,Uc表示基极与射极，集电极与射极之间的电压。

• • 截至区： 在U_b达到开启电压之前，PN处在截止状态I_b≅0，此时I_c≅0。U_b≅U_i<0.7V ，U_c≅V_cc。（注：在TTL电路中Vcc=5V）。
  • 放大区：在U_b达到开启电压之后，PN处在导通状态I_b≅（U_i-0.7v)/R_b，I_c=βI_b，I_e=(1+β)I_b 。U_b≅0.7v, U_c=Vcc-R_cI_c。
  • 饱和区：随着U_i持续增高，I_b也持续增大，此时I_c逐渐接近Vcc/Rc， 此时Ic已经不满足I_c=βI_b的关系，Uc逐渐接近0V，此时三极管处在饱和状态。 但由于三极管是半导体器件，在三极管处在饱和状态时依然会有一个较小的导通电阻，此时Uc≅0.2V,Ic≅(Vcc-0.2V)/Rc。
• 三极管特性曲线
  • 输入特性曲线

输入特性曲线是指三极管基极与射极之间的电压、电流伏安特性曲线。

图6 三极管输入特性曲线

• • 输出特性曲线

输出特性曲线是指在基极电流Ib的控制下，Ic与Uce的关系。

图7 三极管输出特性曲线

从三极管输出特性曲线图中可以清楚地看到三极管的三个工作区域，截止区、放大区和饱和区。

 

• 三极管在数字电路中使用的区域

由于数字电路主要研究逻辑关系，因此三极管在数字电路中也主要研究如何使用开关特性，因此在数字电路中主要使用截止区和饱和区，并尽力避免使三极管处在放大区。

• • 截止区等效电路

图8   截至区等效电路

• • 饱和区等效电路

图9 饱和区等效电路

总结：三极管工作在饱和区和截止区时与二极管类似也可以提供开关控制特性。正是由于具有开关特性为逻辑设计提供了可能性。如导通为逻辑1，截止为逻辑0等。由于三极管电路具备灵活多变的特性，而且在设计与使用中，由于电压具有更友好的测量和分析特点，因此在数字电路中更多使用电压的高、低作为逻辑值使用，如可以设定电压高为1，电压低为0。根据电压高低的设定，输入电压可以作为输入变量，输出电压作为输出变量，这样由二极管或三极管构成的电路就与前面学习的逻辑函数建立联系。由逻辑函数可以设计出满足要求的数字逻辑电路，由逻辑电路也可以分析得到逻辑表达式，从而分析出逻辑电路所具备的功能。