多图详解三极管基本知识及电子电路图

多图详解三极管基本知识及电子电路图



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，它有很多别称：


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：
IE = IB + IC
IC = β * IB
如果 IB = 0, 那么 IE = IC = 0
三极管特性曲线
输入特性曲线
集-射极电压UCE为某特定值时，基极电流IB与基-射电压UBE的关系曲线。


UBER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；
UBEUBER时，三极管才会启动；
UCE增大，特性曲线右移，但当UCE>1.0V后，特性曲线几乎不再移动。
输出特性曲线
基极电流IB一定时，集极IC与集-射电压UCE之间的关系曲线，是一组曲线。




当IB=0时, IC→0 ,称为三极管处于截止状态，相当于开关断开;
当IB>0时, IB轻微的变化,会在IC上以几十甚至百多倍放大表现出来;
当IB很大时，IC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
IC = β * IB （其中β≈ 10~400 ）
例：当基极通电流IB=50μA时，集极电流：
IC=βIB=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？
哪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IC的变化而变化，IC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：




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IB不变的情况下，集极电流IC会因温度上升而急剧增大。
（2）对反向饱和电流（漏电流）ICEO的影响：
ICEO是由少数载流子漂移运动形成的，它与环境温度关系很大，ICEO随温度上升会急剧增加。温度上升10℃，ICEO将增加一倍。




虽然常温下硅管的漏电流ICEO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 UBE的影响：
温度上升1℃，UBE将下降约2.2mV。




温度上升，β、IC将增大，UCE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




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。
中国大陆三极管命名方式


例：3DD12X NPN型低频大功率硅三极管
日本三极管型号命名方式


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


例：JANS2N2904 宇航级三极管
欧洲三极管命名方式


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IC:
IC < 2 / 3 * ICM
ICM 集极最大允许电流
当 IC>ICM时，三极管β值减小，失去放大功能。
集极功率PW:
PW < 2 / 3 * PCM
PCM集极最大允许功率。
当PW > PCM 三极管将烧坏。
集-射反向电压UCE:
UCE < 2 / 3 * UBVCEO
UBVCEO基极开路时,集-射反向击穿电压
集/射极间电压UCE>UBVCEO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% * ƒT
ƒT — 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ƒT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。