晶體管是一種半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于電子電路中。晶體管的工作原理基于半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性，通過控制基極電流來調(diào)節(jié)集電極電流，從而實(shí)現(xiàn)放大、開關(guān)等功能。晶體管的電流關(guān)系是其核心特性之一，對(duì)于理解和設(shè)計(jì)電子電路具有重要意義。

1. 晶體管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

晶體管主要由三層半導(dǎo)體材料組成，分別為發(fā)射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。根據(jù)半導(dǎo)體材料的類型，晶體管可以分為NPN型和PNP型兩種。NPN型晶體管的發(fā)射極和集電極由N型半導(dǎo)體材料制成，基極由P型半導(dǎo)體材料制成；而PNP型晶體管則相反。

晶體管的工作原理基于PN結(jié)的導(dǎo)電特性。PN結(jié)是兩種不同摻雜類型的半導(dǎo)體材料的接觸面，具有單向?qū)щ娦?。?dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通，允許電流通過；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，PN結(jié)截止，不允許電流通過。

在晶體管中，發(fā)射極和基極之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電極和基極之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。晶體管的工作狀態(tài)可以通過控制基極電流來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)基極電流增加時(shí)，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射極向基極注入大量電子，這些電子在基極中擴(kuò)散，部分電子被基極收集，形成基極電流；另一部分電子穿過集電結(jié)，被集電極收集，形成集電極電流。由于集電極電流與基極電流之間存在放大關(guān)系，因此晶體管可以實(shí)現(xiàn)電流放大功能。

2. 晶體管的電流關(guān)系類型

晶體管的電流關(guān)系主要包括以下幾種類型：

2.1 直流電流關(guān)系

直流電流關(guān)系是指在直流電路中，晶體管各極電流之間的關(guān)系。在直流電路中，晶體管的電流關(guān)系可以用以下公式表示：

Ic = β * Ib

其中，Ic表示集電極電流，Ib表示基極電流，β表示晶體管的直流電流放大倍數(shù)。直流電流放大倍數(shù)是晶體管的一個(gè)重要參數(shù)，反映了晶體管在直流條件下的放大能力。直流電流放大倍數(shù)受晶體管的工作區(qū)域、溫度、晶體管參數(shù)等因素的影響。

2.2 交流電流關(guān)系

交流電流關(guān)系是指在交流電路中，晶體管各極電流之間的關(guān)系。在交流電路中，晶體管的電流關(guān)系可以用以下公式表示：

Ic = Av * Ib

其中，Ic表示集電極電流，Ib表示基極電流，Av表示晶體管的交流電流放大倍數(shù)。交流電流放大倍數(shù)是晶體管在交流條件下的放大能力，與直流電流放大倍數(shù)不同，它反映了晶體管在交流條件下的頻率響應(yīng)特性。

2.3 飽和區(qū)電流關(guān)系

飽和區(qū)電流關(guān)系是指在晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)，各極電流之間的關(guān)系。在飽和區(qū)，晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)，晶體管的電流關(guān)系可以用以下公式表示：

Ic = Ie - Ib

其中，Ic表示集電極電流，Ie表示發(fā)射極電流，Ib表示基極電流。在飽和區(qū)，晶體管的集電極電流等于發(fā)射極電流減去基極電流。

2.4 截止區(qū)電流關(guān)系

截止區(qū)電流關(guān)系是指在晶體管工作在截止區(qū)時(shí)，各極電流之間的關(guān)系。在截止區(qū)，晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)，晶體管的電流關(guān)系可以用以下公式表示：

Ic ≈ 0，Ib ≈ 0

在截止區(qū)，晶體管的集電極電流和基極電流都接近于零。

2.5 放大區(qū)電流關(guān)系

放大區(qū)電流關(guān)系是指在晶體管工作在放大區(qū)時(shí)，各極電流之間的關(guān)系。在放大區(qū)，晶體管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。晶體管的電流關(guān)系可以用以下公式表示：

Ic = β * Ib

在放大區(qū)，晶體管的直流電流放大倍數(shù)β通常大于1，可以實(shí)現(xiàn)電流放大功能。

3. 影響晶體管電流關(guān)系的因素

晶體管的電流關(guān)系受多種因素的影響，主要包括：

3.1 工作區(qū)域

晶體管的工作區(qū)域包括截止區(qū)、飽和區(qū)和放大區(qū)。不同工作區(qū)域下，晶體管的電流關(guān)系不同。

3.2 溫度

溫度對(duì)晶體管的電流關(guān)系有很大影響。隨著溫度的升高，晶體管的直流電流放大倍數(shù)β會(huì)減小，交流電流放大倍數(shù)Av也會(huì)降低。

3.3 晶體管參數(shù)

晶體管的參數(shù)包括摻雜濃度、晶體管面積、基極寬度等，這些參數(shù)會(huì)影響晶體管的電流關(guān)系。

晶體管的類型

晶體管大致分為三種類型：雙極型、場(chǎng)效應(yīng)型和絕緣柵雙極型。雙極晶體管屬于電流驅(qū)動(dòng)器件。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）屬于電壓驅(qū)動(dòng)器件。

雙極晶體管（BJT）

雙極晶體管有兩種類型：NPN型和PNP型。NPN型產(chǎn)品涵蓋低耐受電壓到高耐受電壓產(chǎn)品。耐受電壓為400V或以下的PNP型產(chǎn)品，特別是耐受電壓為200V或以下的PNP型產(chǎn)品是主流產(chǎn)品。它們有放大功能，可以將小信號(hào)轉(zhuǎn)換成大信號(hào)。集電極電流I(C)與基極電流I(B)（I(C)／I(B)）之比稱為直流電流增益，用h(FE)表示。當(dāng)小電流（I(B)）從基極流向發(fā)射極時(shí)，I(B)×h(FE)的電流I(C)從集電極流向發(fā)射極。

BJT是由基極電流驅(qū)動(dòng)的電流驅(qū)動(dòng)器件。

NPN晶體管的操作

基極電流：從基極到發(fā)射極的電流

集電極電流：從集電極到發(fā)射極的電流

PNP晶體管的操作

基極電流：從發(fā)射極到基極的電流

集電極電流：從發(fā)射極到集電極的電流

內(nèi)置偏置電阻型晶體管（BRT）

BRT是指偏置電阻內(nèi)置型晶體管。BJT通常配合電子設(shè)備中的電阻器使用。使用BRT（集成了晶體管和電阻器）可以減少安裝面積。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）

JFET：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

（1）在N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（圖3-3（a））中，當(dāng)在漏極和源極之間施加電壓時(shí)，電子從源極流向漏極。

（2）當(dāng)在柵極和源極之間施加反向偏壓時(shí)，耗盡層擴(kuò)大并抑制（1）中的電子流動(dòng)。（使電子流動(dòng)的路徑變窄）

（3）如果柵極和源極之間的反向偏壓進(jìn)一步增加，耗盡層就會(huì)阻塞通道，電子流動(dòng)停止。

如上所示，施加在柵極和源極之間的電壓控制著漏極和源極之間的狀態(tài)。所以場(chǎng)效應(yīng)晶體管是電壓驅(qū)動(dòng)的器件。

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）是目前最受關(guān)注的晶體管。MOSFET有兩種類型：N溝道（參見下圖3-4（a）N溝道）和P溝道（參見下圖3-4（b）P溝道）。N溝道廣泛用于AC/DC電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器設(shè)備等，而P溝道則用于負(fù)載開關(guān)、高邊開關(guān)等。雙極晶體管和MOSFET之間的差異如表3-1所示。

晶體管也是使放大器工作的原因。它不只是兩個(gè)狀態(tài)(開/關(guān))，也可以在“完全打開”和“完全關(guān)閉”之間的任何位置。

這意味著一個(gè)幾乎沒有能量的小信號(hào)可以控制晶體管，在晶體管的集電極發(fā)射極(或漏源)部分產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)。因此，晶體管可以放大小信號(hào)。