三極管基本知識全解-電路保護-電子元件技術網

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三極管基本知識全解

發布時間：2018-11-15 責任編輯：xueqi

【導讀】在電子元件家族中，三極管屬於半導體主動元件中的分立元件。晶體三(san)極(ji)管(guan)，是(shi)半(ban)導(dao)體(ti)基(ji)本(ben)元(yuan)器(qi)件(jian)之(zhi)一(yi)，具(ju)有(you)電(dian)流(liu)放(fang)大(da)作(zuo)用(yong)，是(shi)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)的(de)核(he)心(xin)元(yuan)件(jian)。本(ben)文(wen)將(jiang)全(quan)麵(mian)介(jie)紹(shao)三(san)極(ji)管(guan)的(de)基(ji)礎(chu)知(zhi)識(shi)，希(xi)望(wang)對(dui)你(ni)有(you)所(suo)幫(bang)助(zhu)。

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：

三極管的發明

晶體三極管出現之前是真空電子三極管在電子電路中以放大、開關功能控製電流。

真空電子管存在笨重、耗能、反應慢等缺點。

二戰時，軍事上急切需要一種穩定可靠、快速靈敏的電信號放大元件，研究成果在二戰結束後獲得。

早期，由於鍺晶體較易獲得，主要研製應用的是鍺晶體三極管。矽晶體出現後，由於矽管生產工藝很高效，鍺管逐漸被淘汰。

經半個世紀的發展，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。

三極管核心結構

核心是“PN”結

是兩個背對背的PN結

可以是NPN組合，也或以是PNP組合

由於矽NPN型是當下三極管的主流，以下內容主要以矽NPN型三極管為例！

NPN型三極管結構示意圖

矽NPN型三極管的製造流程

管芯結構切麵圖

工藝結構特點：

發射區高摻雜：為了便於發射結發射電子，發射區半導體摻濃度高於基區的摻雜濃度，且發射結的麵積較小;

基區尺度很薄:3~30μm，摻雜濃度低;

集電結麵積大：集電區與發射區為同一性質的摻雜半導體，但集電區的摻雜濃度要低，麵積要大，便於收集電子。

三極管不是兩個PN結的間單拚湊，兩個二極管是組成不了一個三極管的！

工藝結構在半導體產業相當重要，PN結不同材料成份、尺寸、排布、摻雜濃度和幾何結構，能製成各樣各樣的元件，包括IC。

三極管電路符號

三極管電流控製原理示意圖

三極管基本電路

外加電壓使發射結正向偏置，集電結反向偏置。

集/基/射電流關係：

IE = IB + IC

IC = β * IB

如果 IB = 0, 那麼 IE = IC = 0

三極管特性曲線

輸入特性曲線

集-射極電壓UCE為某特定值時，基極電流IB與基-射電壓UBE的關係曲線。

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矽管啟動電壓約為0.6V；

UBE<uber時，三極管高絕緣，ube>UBER時，三極管才會啟動；</uber時，三極管高絕緣，ube>

UCE增大，特性曲線右移，但當UCE>1.0V後，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之間的關係曲線，是一組曲線。

當IB=0時, IC→0 ,稱為三極管處於截止狀態，相當於開關斷開;

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出來;

當IB很大時，IC變得很大，不能繼續隨IB的增大而增大，三極管失去放大功能，表現為開關導通。

三極管核心功能：

放大功能：小電流微量變化，在大電流上放大表現出來。

開關功能：以小電流控製大電流的通斷。

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：

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，三極管並不能放大係統的能量。

能放大多少？

哪要看三極管的放大倍數β值了！

首先β由三極管的材料和工藝結構決定：

如矽三極管β值常用範圍為：30~200

鍺三極管β值常用範圍為：30~100

β值越大，漏電流越大，β值過大的三極管性能不穩定。

其次β會受信號頻率和電流大小影響：

信號頻率在某一範圍內，β值接近一常數，當頻率越過某一數值後，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比大功率管的大。

三極管主要性能參數

三極管性能參數較多，有直流、交流和極限參數之分：

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，其中對以下三個參數影響最大。

（1）對放大倍數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。

（2）對反向飽和電流（漏電流）ICEO的影響：

ICEO是由少數載流子漂移運動形成的，它與環境溫度關係很大，ICEO隨溫度上升會急劇增加。溫度上升10℃，ICEO將增加一倍。

雖然常溫下矽管的漏電流ICEO很小，但溫度升高後，漏電流會高達幾百微安以上。

（3）對發射結電壓 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，在電路設計時應考慮采取相應的措施，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。

中國大陸三極管命名方式

例：3DD12X NPN型低頻大功率矽三極管

日本三極管型號命名方式

例：2SC1895 高頻NPN型三極管

美國電子工業協會（EIA）三極管命名方式

例：JANS2N2904 宇航級三極管

歐洲三極管命名方式

例：BC208A 矽材料低頻小功率三極管

三極管封裝及管腳排列方式

關於封裝：

三極管設計額定功率越大，其體積就越大，又由於封裝技術的不斷更新發展，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。

關於管腳排列：

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，有以上規律：

規律一：對中大功率三極管，集電極明顯較粗大甚至以大麵積金屬電極相連，多處於基極和發射極之間；

規律二：對貼片三極管，麵向標識時，左為基極，右為發射極，集電極在另一邊；

基極 — B 集電極 — C 發射極 — E

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。

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，三極管產生很大的集電極電流擊穿,造成永久性損壞。

工作頻率ƒ：

ƒ = 15% * ƒT

ƒT — 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，對應於β=1 時的頻率ƒT叫作三極管的特征頻率。

此外，還應考慮體積成本，優先選用貼片式三極管。

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