圖說三極管

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。在電子元件家族中，三極管屬于半導(dǎo)體主動元件中的分立元件。

廣義上，三極管有多種，常見如下圖所示。

狹義上，三極管指雙極型三極管，是最基礎(chǔ)最通用的三極管。 本文所述的是狹義三極管，它有很多別稱:

三極管的發(fā)明

晶體三極管出現(xiàn)之前是真空電子三極管在電子電路中以放大、開關(guān)功能控制電流。 真空電子管存在笨重、耗能、反應(yīng)慢等缺點。

真空電子三極管

二戰(zhàn)時，軍事上急切需要一種穩(wěn)定可靠、快速靈敏的電信號放大元件，研究成果在二戰(zhàn)結(jié)束后獲得。 早期，由于鍺晶體較易獲得，主要研制應(yīng)用的是鍺晶體三極管。硅晶體出現(xiàn)后，由于硅管生產(chǎn)工藝很高效，鍺管逐漸被淘汰。

經(jīng)半個世紀的發(fā)展，三極管種類繁多，形貌各異。 小功率三極管一般為塑料包封；大功率三極管一般為金屬鐵殼包封。

三極管核心結(jié)構(gòu)

三極管的核心是“PN”結(jié)， 是兩個背對背的PN結(jié)?？梢允荖PN組合，也或以是PNP組合。由于硅NPN型是當下三極管的主流，以下內(nèi)容主要以硅NPN型三極管為例。

NPN型三極管結(jié)構(gòu)示意圖

三極管的制造流程圖

工藝結(jié)構(gòu)特點

管芯結(jié)構(gòu)切面圖

• 發(fā)射區(qū)高摻雜：為了便于發(fā)射結(jié)發(fā)射電子，發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體摻濃度高于基區(qū)的摻雜濃度，且發(fā)射結(jié)的面積較小。

• 基區(qū)尺度很?。?~30μm，摻雜濃度低。

• 集電結(jié)面積大：集電區(qū)與發(fā)射區(qū)為同一性質(zhì)的摻雜半導(dǎo)體，但集電區(qū)的摻雜濃度要低，面積要大，便于收集電子。

三極管不是兩個PN結(jié)的簡單拼湊，兩個二極管是組成不了一個三極管的。 工藝結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相當重要，PN結(jié)不同材料成份、尺寸、排布、摻雜濃度和幾何結(jié)構(gòu)，能制成各樣各樣的元件，包括IC。

三極管電路符號

三極管電流控制原理示意圖

三極管基本電路

外加電壓使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。

集/基/射電流關(guān)系：

• IE = IB + IC 

• IC = β * IB

• 如果 IB = 0, 那么 IE = IC = 0

三極管特性曲線

輸出特性曲線

集-射極電壓UCE為某特定值時，基極電流IB與基-射電壓UBE的關(guān)系曲線。

UBER是三極管啟動的臨界電壓，它會受集射極電壓大小的影響，正常工作時，NPN硅管啟動電壓約為0.6V； UBE<UBER時，三極管高絕緣，UBE>UBER時，三極管才會啟動；UCE增大，特性曲線右移，但當UCE>1.0V后，特性曲線幾乎不再移動。

輸出特性曲線

基極電流IB一定時，集極IC與集-射電壓UCE之間的關(guān)系曲線，是一組曲線。

• 當IB=0時，IC→0，稱為三極管處于截止狀態(tài)，相當于開關(guān)斷開。

• 當IB>0時，IB輕微的變化，會在IC上以幾十甚至百多倍放大表現(xiàn)出來。

• 當IB很大時，IC變得很大，不能繼續(xù)隨IB的增大而增大，三極管失去放大功能，表現(xiàn)為開關(guān)導(dǎo)通。

三極管核心功能

開關(guān)功能：以小電流控制大電流的通斷。

放大功能：小電流微量變化，在大電流上放大表現(xiàn)出來。 

三極管的放大功能

IC = β * IB （其中β≈ 10~400 ）， 例：當基極通電流IB=50μA時，集極電流為 IC=βIB=120*50μA=6000μA。

微弱變化的電信號通過三極管放大成波幅度很大的電信號，如下圖所示：

所以，三極管放大的是信號波幅，三極管并不能放大系統(tǒng)的能量。 能放大多少？哪要看三極管的放大倍數(shù)β值了。

• 首先β由三極管的材料和工藝結(jié)構(gòu)決定，如硅三極管β值常用范圍為：30~200，鍺三極管β值常用范圍為：30~100，β值越大，漏電流越大，β值過大的三極管性能不穩(wěn)定。

• 其次β會受信號頻率和電流大小影響： 信號頻率在某一范圍內(nèi)，β值接近一常數(shù)，當頻率越過某一數(shù)值后，β值會明顯減少。

• β值隨集電極電流IC的變化而變化，IC為mA級別時β值較小。一般地，小功率管的放大倍數(shù)比大功率管的大。

三極管主要性能參數(shù)

溫度對三極管性能的影響

溫度幾乎影響三極管所有的參數(shù)，其中對以下三個參數(shù)影響最大。

 

對放大倍數(shù)β的影響

在基極輸入電流IB不變的情況下，集極電流IC會因溫度上升而急劇增大。

對反向飽和電流（漏電流）ICEO的影響

ICEO是由少數(shù)載流子漂移運動形成的，它與環(huán)境溫度關(guān)系很大，ICEO隨溫度上升會急劇增加。溫度上升10℃，ICEO將增加一倍。雖然常溫下硅管的漏電流ICEO很小，但溫度升高后，漏電流會高達幾百微安以上。 

對發(fā)射結(jié)電壓 UBE的影響

溫度上升1℃，UBE將下降約2.2mV。 溫度上升，β、IC將增大，UCE將下降，在電路設(shè)計時應(yīng)考慮采取相應(yīng)的措施，如遠離熱源、散熱等,克服溫度對三極管性能的影響。

三極管的分類

三極管命名標識

不同的國家/地區(qū)對三極管型號命名方式不同。還有很多廠家使用自己的命名方式。

三極管封裝及管腳排列方式

關(guān)于封裝

三極管設(shè)計額定功率越大，其體積就越大，又由于封裝技術(shù)的不斷更新發(fā)展，所以三極管有多種多樣的封裝形式。 當前，塑料封裝是三極管的主流封裝形式，其中“TO”和“SOT”形式封裝最為常見。

關(guān)于管腳排列

不同品牌、不同封裝的三極管管腳定義不完全一樣的，一般地，有以上規(guī)律：

• 規(guī)律一：對中大功率三極管，集電極明顯較粗大甚至以大面積金屬電極相連，多處于基極和發(fā)射極之間

• 規(guī)律二：對貼片三極管，面向標識時，左為基極，右為發(fā)射極，集電極在另一邊

三極管的選用原則

考慮三極管的性能極限，按“2/3”安全原則選擇合適的性能參數(shù)。

• 集極電流IC：IC < 2 / 3 * ICM，ICM 集極最大允許電流，當 IC>ICM時，三極管β值減小，失去放大功能。

• 集極功率PW：PW < 2 / 3 * PCM，PCM集極最大允許功率，當PW > PCM 三極管將燒壞。

• 集-射反向電壓UCE：UCE < 2 / 3 * UBVCEO，UBVCEO基極開路時，集-射反向擊穿電壓，集/射極間電壓UCE>UBVCEO時，三極管產(chǎn)生很大的集電極電流擊穿,造成永久性損壞。

• 工作頻率?：? = 15% * ?T，?T — 特征頻率，隨著工作頻率的升高，三極管的放大能力將會下降，對應(yīng)于β=1 時的頻率?T叫作三極管的特征頻率。

• 此外，還應(yīng)考慮體積成本，優(yōu)先選用貼片式三極管。

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