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史上最详细三极管图解
云汉芯城 | 2018-10-25 16:09:50    阅读:109   发布文章

“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:

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%*T

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?T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。

本期有关史上最详细三极管图解的知识介绍到这里就结束了,如果你还想了解更多关于电子元器件的相关知识及电子元器件行业实时市场信息,敬请关注公众号【云汉芯城】。

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(素材来自网络,由云汉芯城小编编辑整理,如有问题请联系!)



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