图说三极管，教你真正学懂三极管

图说三极管

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，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。

真空电子三极管

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

三极管的核心是“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

三极管的制造流程图

工艺结构特点

管芯结构切面图

• 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结的简单拼凑，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

输出特性曲线

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； UBE<UBER时，三极管高绝缘，UBE>UBER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

开关功能：以小电流控制大电流的通断。

放大功能：小电流微量变化，在大电流上放大表现出来。 

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，集极电流为 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

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。

 

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。

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。 

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。

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

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。

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