"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。
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:
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
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。
中国大陆三极管命名方式
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IC:
IC
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。