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一文全面了解三极管

发布时间:2020-02-20 责任编辑:xueqi

【导读】这里讲解三极管的发明史、核心结构、结构示意图、制造流程、结构切面图、工艺结构特点、电路符号、电流控制原理示意图、基本电路等,让大家全面了解三极管。
 
 
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;
 
UBE<uber时,三极管高绝缘,ube>UBER时,三极管才会启动;</uber时,三极管高绝缘,ube>
 
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。
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