细说三极管

 

"晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件"

 

在电子元件家族中，三极管属于半导体主动元件中的分立元件。

广义上，三极管有多种，常见如下图所示。

 

狭义上，三极管指双极型三极管，是最基础最通用的三极管。

 

本文所述的是狭义三极管。其他内容可点击以下链接：

三极管的发明

 

晶体三极管出现之前是真空电子三极管在电子电路中以放大、开关功能控制电流。

真空电子管存在笨重、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，研究成果在二战结束后获得。

 

早期，由于锗晶体较易获得，主要研制应用的是锗晶体三极管。硅晶体出现后，由于硅管生产工艺很高效，锗管逐渐被淘汰。

 

经半个世纪的发展，三极管种类繁多，形貌各异。

 

 

小功率三极管一般为塑料包封；大功率三极管一般为金属铁壳包封。

 

三极管核心结构

 

核心是“PN”结

是两个背对背的PN结

可以是NPN组合，也或以是PNP组合

 

由于硅NPN型是当下三极管的主流，以下内容主要以硅NPN型三极管为例：

 

NPN型三极管结构示意图

 

 

硅NPN型三极管的制造流程

 

 

管芯结构切面图

 

工艺结构特点：

 

发射区高掺杂：为了便于发射结发射电子，发射区半导体掺浓度高于基区的掺杂浓度，且发射结的面积较小；

 

基区尺度很薄:3~30μm，掺杂浓度低；

 

集电结面积大：集电区与发射区为同一性质的掺杂半导体，但集电区的掺杂浓度要低，面积要大，便于收集电子。

 

三极管不是两个PN结的间单拼凑，两个二极管是组成不了一个三极管的！

 

工艺结构在半导体产业相当重要，PN结不同材料成份、尺寸、排布、掺杂浓度和几何结构，能制成各样各样的元件，包括IC。

 

三极管电路符号

 

 

三极管电流控制原理示意图

 

 

三极管基本电路

 

外加电压使发射结正向偏置，集电结反向偏置。

集/基/射电流关系：

I_E  =  I_B  + I_C 

I_C  =  β  *  I_B

 

如果 I_B = 0, 那么 I_E = I_C = 0

 

三极管特性曲线

 

输入特性曲线

 

集-射极电压U_CE为某特定值时，基极电流I_B与基-射电压U_BE的关系曲线。

U_BER是三极管启动的临界电压，它会受集射极电压大小的影响，正常工作时，NPN硅管启动电压约为0.6V；

 

U_BEBER时，三极管高绝缘，U_BE>U_BER时，三极管才会启动；

 

U_CE增大，特性曲线右移，但当U_CE>1.0V后，特性曲线几乎不再移动。

 

输出特性曲线

 

基极电流I_B一定时，集极I_C与集-射电压U_CE之间的关系曲线，是一组曲线。

当I_B=0时, I_C→0 ,称为三极管处于截止状态，相当于开关断开；

 

当I_B>0时, I_B轻微的变化,会在I_C上以几十甚至百多倍放大表现出来；

 

当I_B很大时，I_C变得很大，不能继续随IB的增大而增大，三极管失去放大功能，表现为开关导通。

 

三极管核心功能

 

放大功能：小电流微量变化，在大电流上放大表现出来。 

 

开关功能：以小电流控制大电流的通断。

 

三极管的放大功能

 

I_C   =   β  *  I_B   （其中β≈ 10~400 ）

 

例：当基极通电流I_B=50μA时,集极电流:

I_C=βI_B=120*50μA=6000μA

 

微弱变化的电信号通过三极管放大成波幅度很大的电信号，如下图所示：

所以，三极管放大的是信号波幅，三极管并不能放大系统的能量。

 

能放大多少？

那要看三极管的放大倍数β值了！

 

首先β由三极管的材料和工艺结构决定：

如硅三极管β值常用范围为：30~200

锗三极管β值常用范围为：30~100

β值越大，漏电流越大，β值过大的三极管性能不稳定。

 

其次β会受信号频率和电流大小影响： 

信号频率在某一范围内，β值接近一常数，当频率越过某一数值后，β值会明显减少。

β值随集电极电流I_C的变化而变化，I_C为mA级别时β值较小。一般地，小功率管的放大倍数比大功率管的大。

 

三极管主要性能参数

 

三极管性能参数较多，有直流、交流和极限参数之分：

类型	参数项	符号	意义
直流参数	共射直流放大系数	β	无交变信号输入，共射电路集基电流的比值。β=IC/IB
	共基直流放大系数	α	无交变信号输入，共基极电路集射的比值。
	集-射 反向电流	ICEO	基极开路，集-射极间反向电流，又称漏电流、穿透电流。
	集极 反向电流	ICBO	射极开路时，集电结反向电流（漏电流） ICEO=βICBO
交流参数	共射交流放大系数	β	共射电路，集基电流变化量比值：β=ΔIC/ΔIB
	共基交流放大系数	α	共基电路，集射电流变化量比值：α=ΔIC/ΔIE
	共射截止频率	ƒβ	β因频率升高3dB对应的频率
	共基截止频率	ƒα	α因频率升高而下降3dB对应的频率
	特征频率	ƒT	频率升高，β下降到1时对应的频率。
极限参数	集极最大电流	ICM	集极允许通过的最大电流。
	集极最大功率	PCM	实际功率过大，三极管会烧坏。
	集-射极击穿电压	UCEO	基极开路时，集-射极耐电压值。

 

温度对三极管性能的影响

 

温度几乎影响三极管所有的参数，其中对以下三个参数影响最大。 

 

（1）对放大倍数β的影响

在基极输入电流I_B不变的情况下，集极电流I_C会因温度上升而急剧增大。 

 

（2）对反向饱和电流（漏电流）I_CEO的影响

 

 I_CEO是由少数载流子漂移运动形成的，它与环境温度关系很大，I_CEO随温度上升会急剧增加。温度上升10℃，I_CEO将增加一倍。

虽然常温下硅管的漏电流I_CEO很小，但温度升高后，漏电流会高达几百微安以上。 

 

（3）对发射结电压 U_BE的影响

 

温度上升1℃，UBE将下降约2.2mV。 

温度上升，β、I_C将增大，U_CE将下降，在电路设计时应考虑采取相应的措施，如远离热源、散热等,克服温度对三极管性能的影响。

 

三极管的分类

 

分类角度		种类	说明
从技术工艺	按材料	硅三极管 0.6V 锗三极管 0.3V	一般地： 锗管为PNP型 硅管为NPN型
	按结构	PNP型 NPN型
	按制造工艺	平面型 合金型 扩散型	高频管多为扩散型 低频管多为合金型
从性能	按频率	低频管 <3MHz 中频管  3~30(MHZ) 高频管 30~500  (MHZ) 超高频管  >500MHZ
	按功率	小功率 PCM  <0.5W 中功率 0.5CM<1w 大功率 PCM  >1w	功率越大体积越大，散热要求越高。
	功能 用途	放大管    开关管 高反压管  光电管 带阻尼管  数字管
从封装外形	按封装材料	金属封装  玻璃封装 陶瓷封装  塑料封装 薄膜封装	塑料封装为主流 金属封装成本较高
	按封装形式	引线式 TO 贴片式 SOT	贴片式正逐步取代引线式。

 

三极管命名标识

 

不同的国家/地区对三极管型号命名方式不同。还有很多厂家使用自己的命名方式。

 

我国大陆地区三极管命名方式

3	D	D	12	X
2：二极管 3：三极管	A：PNP锗 B：NPN锗 C：PNP硅 D：NPN硅	X：低频小功率  G：高频小功率  D：低频大功率  A：高频大功率	序号	规格号

例：3DD12X   NPN型低频大功率硅三极管

 

日本三极管型号命名方式

2	S	D	13	B
0：光电管 1：二极管 2：三极管	注册标识	A：PNP高频管  B：PNP低频管  C：NPN高频管  D：NPN低频管	电子协会登记顺序	改进型号

例：2SC1895   高频NPN型三极管

 

美国电子工业协会（EIA）三极管命名方式

JANS	2	N	2904	A
JANTX：特军级 JANTXV：超特军 JANS：宇航级 （无）：非军用品	1：二极管 2：三极管 “n”：n个PN    结元件	EIA注册标识	EIA登记顺序号	不同档别

例：JANS2N2904   宇航级三极管

 

欧洲三极管命名方式

B	C	208	A
A：锗管 B：硅管	C：低频小功率 D：低频大功率 F：高频小功率 L：高频大功率	登记顺序号	β的档别

例：BC208A   硅材料低频小功率三极管

 

三极管封装及管脚排列方式

 

关于封装

 

三极管设计额定功率越大，其体积就越大，又由于封装技术的不断更新发展，所以三极管有多种多样的封装形式。

 

当前，塑料封装是三极管的主流封装形式，其中“TO”和“SOT”形式封装最为常见。

 

关于管脚排列

 

不同品牌、不同封装的三极管管脚定义不完全一样的，一般地，有以上规律：

规律一：对中大功率三极管，集电极明显较粗大甚至以大面积金属电极相连，多处于基极和发射极之间；

规律二：对贴片三极管，面向标识时，左为基极，右为发射极，集电极在另一边；

基极 — B     集电极 — C     发射极 — E

 

三极管的选用原则

 

考虑三极管的性能极限，按“2/3”安全原则选择合适的性能参数。:

 

集极电流I_C：

I_C <2/3*I_CM

_ICM 集极最大允许电流

当 I_C>I_CM时，三极管β值减小，失去放大功能。

 

 

 集极功率P_W：

P_W<2/3*P_CM

 P_CM集极最大允许功率。

当P_W > P_CM 三极管将烧坏。

 

集-射反向电压U_CE：

U_CE<2/3*U_BVCEO

U_BVCEO基极开路时,集-射反向击穿电压

集/射极间电压U_CE>U_BVCEO时，三极管产生很大的集电极电流击穿,造成永久性损坏。

 

工作频率ƒ：

ƒ=15%*ƒ_T

ƒ_{T —} 特征频率

随着工作频率的升高，三极管的放大能力将会下降，对应于β=1 时的频率ƒ_T叫作三极管的特征频率。

 

此外，还应考虑体积成本，优先选用贴片式三极管。

 

 

审核编辑 ：李倩