三极管的基本原理和三种工作状态 三极管的应用和选型

如果说R、C、L属于分离电路的基础元件，那么二极管、三极管、MOS管就属于集成电路的基础元件。各种技术论坛和学习网站上都有许多关于三极管的知识，今天我们就来简单聊聊三极管的基础知识。

1、基本原理

按照高校教科书的官方知识结构，会首先介绍三极管的结构，载流子，空穴的流动、扩散等物理层的原理，这些知识对于理解三极管的原理是比较严谨的，但也是晦涩的。所以，我们并不打算严谨地用教科书的方式来介绍三极管的基本原理，而是用更贴近现实生活中的应用来介绍。

现在有这么一个水流控制器，它有如下特点；

1）它有三个端口：B（基极）、C（集电极）、E（发射极）；

2）每个端口水流方向是固定的：B，C是流入口，E是流出口；水流方向是固定不变的，可以没有水流，但不能倒流。

3）水流大小有区别：B端口是小水流入水口，C端口是大水流入水口，E是总的水流出口。也就这个水流控制器总是满足ib+ic=ie；

4）联动装置：水流ib的大小，决定着水流ic的通流能力大小。

注意这里的表述是通流能力的大小，并不是实际ic的大小，实际ic的大小与ic的外界水压有关系。反过来，也就可以说水流ib的大小控制ic水流的上限。哪怕外界给C端口水压再高，水流ic也受限于ib的大小。

这么一个联动水流控制器如下图所示，它就是NPN型三极管的模型。

2、 三极管的三种工作状态：截止、放大、饱和

截止状态： 当Vbe为零，或者Vbe是上负下正的电压（与期望的ib电流方向相反），那么无论外界给Vce多大的压力，无论正负，ic都几乎为0，此时ice之间没有电流流过，相当于ice的电流通路是关闭的。（不用关心什么集电极，发射结正偏，反偏的问题，甚至都不用知道三极管内部有集电结，发射结的概念，这些概念并不帮助我理解，那就选择忽略掉，只用知道电流的流向与外界期望电压要一致就能导通，否则就是截止）

**导通状态：**当Vbe有正电压，也就是上正下负的电压（与期望的ib电流方向一致），且外界提供给Vce也是正向电压，此时ic的电流通路就是打开的。此时，我们称三极管处于导通状态。但导通状态又可以细分为两种状态。

放大导通状态 ：此时，ic=βib，也是ic的电流随着ibe的增大而增大，减小而减小。ib如果很小，即使增大Vce，ic也几乎不变。β通常是几十倍到几百倍。什么情况下处于放大导通，ic与ibe满足β倍关系呢？那就是ib不能太大了，如果ib太大了，要满足β倍关系，那么ic就必须非常大，但ic是受限于外界压力，也就是Vce如果不能提供那么大的ic电流，即使ib再大，也不能满足β倍关系。

**饱和导通状态：**当ib足够大，且ic电流因受限于外界电路，不能提供更大的电流，此时就可以说三极管进入饱和导通状态，此时ib继续增大，但ic不会再增加了，因为它没这能力了。换句话说，在三极管导通状态下，ib决定了ic的上限能力，但实际ic的大小受限于外界的压力大小。

这就是NPN型三极管的工作原理，除了NPN型还有PNP型，它的原理可以对比理解，如下图所示。

2、三极管的应用

三极管有三个工作状态：截止、放大、饱和。其中放大状态有很多学问，三极管要处于放大状态需要精心设计各种外围参数，很复杂，很难掌握，多用于集成芯片内部设计，人们为了简化设计，把这种复杂的电路设计都打包处理了，变成了现在的集成运放，我们在此不做深入讨论，现在仅仅讨论三极管的另外两种状态：截止状态和饱和导通状态。其实，这就是开关的两种状态，开或者关。

当S4按下，Vbe的电压方向与ibe的电流方向一致，且Vce的电压也与ice的电流方向一致，那么三极管就处于导通状态。如果是饱和导通，Vce的压降基本就在0.3V 左右，那么R5的压降就在4.7V，Vout输出低电平。当S4弹起，Vbe没有压降，三极管就截止，没有电流从CE极流过，那么Vout=5V输出高电平。

三极管b极加一个下拉电阻（2~10k），一是为了保证b、e极间电容加速放电，加快三极管截止；二是为了保证给三极管b极一个已知逻辑状态，防止控制输入端悬空或高阻态时对三极管工作状态的不确定。

可能有人问，既然S4本身就是一个开关，为何还要用三极管做开关呢？而且这个开关还是反相的，这不是脱了裤子放屁——多此一举？

通常S4左边的开关是数字电路的信号输出端口，驱动输出电流能力不强，如果负载是一个需要大电流的器件，信号端口输出的高电平很可能因为输出电流不足，导致电压不稳定。但如果通过一个三极管，用信号端口的小电流控制电源的大电流的方式就能很好地解决这个问题。三极管就是一个杠杆，能够用小信号撬动大信号。

顺便提一句，所有放大电路的特性都不是真的把小信号放大了，众所周知，能量是守恒的，放大电路的本质是用小信号控制外部电源，让外部电源模拟出小信号的特性输出一个大信号，从外部看仿佛是把小信号放大了，其实输出的大信号是电源提供的，这也是为什么在运放电路设计中提供一个稳定的电源很重要的原因。

三极管的应用电路太多了，除了上面提到的开关作用，还可以和其他器件构成恒压源，恒流源，但无论哪种应用，三极管的工作状态都只有截止、放大和饱和导通这三种状态。

3、 数据手册解读

这是MMBT5551(NPN）三极管的数据手册。

Vcbo=180V，什么意思呢？集电极与基极的反向击穿电压，测试条件是当发射集开路(ic=0)的情况下，给C、B两端加180V电压，ic上面有漏流100uA就认为Vcbo击穿了。

Vceo=160V ，指在基极开路（Ib=0)的情况下，给C、E两端加160V电压，ic会有1mA的电流路过，就表示集电极与发射极击穿。因为正常使用ib=0，Vce无论给多大，三极管都应该是截止的，但实际情况是Vce超过了160V，相当于外界压力太大，管子即使关闭了也抗不住，多少会漏点出来。

Vebo=6V，指集电极开路(ic=0)的情况下，给E、B两端加6V电压，就会导致漏流存在。三极管的B、E就可以当一个二极管来用，但这个二极管的反相耐压有点低，只有6V，这受限于三极管的工艺。虽然BE这个发射结的反相耐压低，但温度特性好，普通二极管的反相漏流可能随着温度增加而增大，但三极管的发射结却漏流很小。所以，在有些电路中，可以用三极管的BE发射结，来替代二极管来使用。

Icbo=50nA，是指关断情况下的漏流，当然是越小越好。

其他需要关注的是Vcesat，指在一定测试条件下，CE的饱和压降，同理Vbesat，也是一个意思，它相当于二极管的管压降。

hFE1是直流放大倍数，在不同的ic情况下，放大倍数不同。当然，还有频率特性，输入输出电容，噪声等参数，在设计放大电路中才会考虑的，我们这里就不再说了。

还有一个重要参数，功耗需要关注。比如贴片三极管，都是在几百mW，电路设计需要估算Ic的最大电流，如果ic太大，可能就会导致超过管子最大功耗。

4、 选型

行业发展总趋势为：小型化、表贴化，高频化，高效率化，集成化，绿色化。重点突出小型化和表贴化。近年来，随着MOSFET的发展，在低功率高速开关领域，MOSFET正逐步替代三极管，行业主流厂家对三极管的研发投入也逐年减少，在芯片技术方面基本没有投入，器件的技术发展主要体现在晶圆工艺的升级（6inch wafer转8inch wafer）及封装小型化及表贴化上。另外，相对普通三极管，RF三极管的主要发展方向是低压电压供电，低噪声，高频及高效。

选型原则如下：

1）禁选处于生命周期末期的插件封装器件，如TO92

2）优选行业主流小型化表贴器件，如SOT23，STO323，SOT523等，对于多管应用，优先考虑双管封装如SOT363及SOT563

3）对于开关应用场景，优先考虑选用MOSFET

4）射频三极管优选低电压供电，低噪声，高频及高效器件。