小白也能看懂的三極管科普文

廣義上,三極管有多種贷祈,常見如下圖所示。

狹義上喝峦,三極管指雙極型三極管势誊,是最基礎(chǔ)最通用的三極管。

本文所述的是狹義三極管谣蠢,它有很多別稱:

三極管的發(fā)明

晶體三極管出現(xiàn)之前是真空電子三極管在電子電路中以放大粟耻、開關(guān)功能控制電流。

真空電子管存在笨重眉踱、耗能挤忙、反應(yīng)慢等缺點。

二戰(zhàn)時谈喳,軍事上急切需要一種穩(wěn)定可靠饭玲、快速靈敏的電信號放大元件,研究成果在二戰(zhàn)結(jié)束后獲得叁执。

早期,由于鍺晶體較易獲得矮冬,主要研制應(yīng)用的是鍺晶體三極管谈宛。硅晶體出現(xiàn)后,由于硅管生產(chǎn)工藝很高效胎署,鍺管逐漸被淘汰吆录。

經(jīng)半個世紀的發(fā)展,三極管種類繁多琼牧,形貌各異恢筝。

小功率三極管一般為塑料包封哀卫;

大功率三極管一般為金屬鐵殼包封。

三極管核心結(jié)構(gòu)

核心是“PN”結(jié)

是兩個背對背的PN結(jié)

可以是NPN組合撬槽,也或以是PNP組合

由于硅NPN型是當下三極管的主流此改,以下內(nèi)容主要以硅NPN型三極管為例!

NPN型三極管結(jié)構(gòu)示意圖

硅NPN型三極管的制造流程


工藝結(jié)構(gòu)特點:

發(fā)射區(qū)高摻雜:為了便于發(fā)射結(jié)發(fā)射電子侄柔,發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體摻濃度高于基區(qū)的摻雜濃度共啃,且發(fā)射結(jié)的面積較小;

基區(qū)尺度很薄:3~30μm,摻雜濃度低;

集電結(jié)面積大:集電區(qū)與發(fā)射區(qū)為同一性質(zhì)的摻雜半導(dǎo)體暂题,但集電區(qū)的摻雜濃度要低移剪,面積要大,便于收集電子薪者。

三極管不是兩個PN結(jié)的間單拼湊纵苛,兩個二極管是組成不了一個三極管的!

工藝結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相當重要言津,PN結(jié)不同材料成份攻人、尺寸、排布纺念、摻雜濃度和幾何結(jié)構(gòu)贝椿,能制成各樣各樣的元件,包括IC陷谱。

三極管電路符號

三極管電流控制原理示意圖

三極管基本電路

外加電壓使發(fā)射結(jié)正向偏置烙博,集電結(jié)反向偏置。

集/基/射電流關(guān)系:

IE = IB + IC

IC = β * IB

如果 IB = 0, 那么 IE = IC = 0

三極管特性曲線

輸入特性曲線

集-射極電壓UCE為某特定值時烟逊,基極電流IB與基-射電壓UBE的關(guān)系曲線渣窜。

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宪躯,正常工作時乔宿,NPN硅管啟動電壓約為0.6V;

UBE

UBER時访雪,三極管才會啟動详瑞;

UCE增大,特性曲線右移臣缀,但當UCE>1.0V后坝橡,特性曲線幾乎不再移動。

輸出特性曲線

基極電流IB一定時精置,集極IC與集-射電壓UCE之間的關(guān)系曲線计寇,是一組曲線。

當IB=0時, IC→0 ,稱為三極管處于截止狀態(tài),相當于開關(guān)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(xiàn)出來;

當IB很大時番宁,IC變得很大元莫,不能繼續(xù)隨IB的增大而增大,三極管失去放大功能蝶押,表現(xiàn)為開關(guān)導(dǎo)通踱蠢。

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(xiàn)出來播聪。

開關(guān)功能:以小電流控制大電流的通斷朽基。

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离陶,如下圖所示:

所以稼虎,三極管放大的是信號波幅,三極管并不能放大系統(tǒng)的能量招刨。

能放大多少霎俩?

哪要看三極管的放大倍數(shù)β值了!

首先β由三極管的材料和工藝結(jié)構(gòu)決定:

如硅三極管β值常用范圍為:30~200

鍺三極管β值常用范圍為:30~100

β值越大沉眶,漏電流越大打却,β值過大的三極管性能不穩(wěn)定。

其次β會受信號頻率和電流大小影響:

信號頻率在某一范圍內(nèi)谎倔,β值接近一常數(shù)柳击,當頻率越過某一數(shù)值后,β值會明顯減少片习。

β值隨集電極電流IC的變化而變化捌肴,IC為mA級別時β值較小。一般地藕咏,小功率管的放大倍數(shù)比大功率管的大状知。

三極管主要性能參數(shù)

三極管性能參數(shù)較多,有直流孽查、交流和極限參數(shù)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(shù)饥悴,其中對以下三個參數(shù)影響最大。

(1)對放大倍數(shù)β的影響:

在基極輸入電流IB不變的情況下盲再,集極電流IC會因溫度上升而急劇增大西设。

(2)對反向飽和電流(漏電流)ICEO的影響:

ICEO是由少數(shù)載流子漂移運動形成的,它與環(huán)境溫度關(guān)系很大答朋,ICEO隨溫度上升會急劇增加贷揽。溫度上升10℃,ICEO將增加一倍绿映。

雖然常溫下硅管的漏電流ICEO很小,但溫度升高后,漏電流會高達幾百微安以上叉弦。

(3)對發(fā)射結(jié)電壓 UBE的影響:

溫度上升1℃丐一,UBE將下降約2.2mV。

溫度上升淹冰,β库车、IC將增大,UCE將下降樱拴,在電路設(shè)計時應(yīng)考慮采取相應(yīng)的措施柠衍,如遠離熱源、散熱等,克服溫度對三極管性能的影響晶乔。

三極管的分類

三極管命名標識

不同的國家/地區(qū)對三極管型號命名方式不同珍坊。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型低頻大功率硅三極管

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(yè)協(xié)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 硅材料低頻小功率三極管

三極管封裝及管腳排列方式

關(guān)于封裝:

三極管設(shè)計額定功率越大正罢,其體積就越大阵漏,又由于封裝技術(shù)的不斷更新發(fā)展,所以三極管有多種多樣的封裝形式翻具。

當前履怯,塑料封裝是三極管的主流封裝形式,其中“TO”和“SOT”形式封裝最為常見裆泳。

關(guān)于管腳排列:

不同品牌叹洲、不同封裝的三極管管腳定義不完全一樣的,一般地工禾,有以上規(guī)律:

規(guī)律一:對中大功率三極管运提,集電極明顯較粗大甚至以大面積金屬電極相連,多處于基極和發(fā)射極之間帜篇;

規(guī)律二:對貼片三極管糙捺,面向標識時,左為基極笙隙,右為發(fā)射極洪灯,集電極在另一邊;

基極 — B?集電極 — C?發(fā)射極 — E

三極管的選用原則

考慮三極管的性能極限竟痰,按“2/3”安全原則選擇合適的性能參數(shù)签钩。

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值減小坏快,失去放大功能铅檩。

集極功率PW:

PW < 2 / 3 * PCM

PCM集極最大允許功率。

當PW > PCM 三極管將燒壞莽鸿。

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時昧旨,三極管產(chǎn)生很大的集電極電流擊穿,造成永久性損壞拾给。

工作頻率?:

? = 15% * ?T

?T — 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兔沃,對應(yīng)于β=1 時的頻率?T叫作三極管的特征頻率蒋得。

此外,還應(yīng)考慮體積成本乒疏,優(yōu)先選用貼片式三極管额衙。

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