圖說三極管

晶體三極管 —— 是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。在電子元件家族中，三極管屬于半導體主動元件中的分立元件。

廣義上，三極管有多種，常見如下圖所示。

狹義上，三極管指雙極型三極管，是最基礎最通用的三極管。本文所述的是狹義三極管，它有很多別稱：

三極管的發明

晶體三極管出現之前是真空電子三極管在電子電路中以放大、開關功能控制電流。真空電子管存在笨重、耗能、反應慢等缺點。

真空電子三極管

二戰時，軍事上急切需要一種穩定可靠、快速靈敏的電信號放大元件，研究成果在二戰結束后獲得。早期，由于鍺晶體較易獲得，主要研制應用的是鍺晶體三極管。硅晶體出現后，由于硅管生產工藝很高效，鍺管逐漸被淘汰。

經半個世紀的發展，三極管種類繁多，形貌各異。 小功率三極管一般為塑料包封；大功率三極管一般為金屬鐵殼包封。

三極管核心結構

三極管的核心是“PN”結，是兩個背對背的PN結。可以是NPN組合，也或以是PNP組合。由于硅NPN型是當下三極管的主流，以下內容主要以硅NPN型三極管為例。

NPN型三極管結構示意圖

三極管的制造流程圖

工藝結構特點

管芯結構切面圖

發射區高摻雜：為了便于發射結發射電子，發射區半導體摻濃度高于基區的摻雜濃度，且發射結的面積較小。

基區尺度很薄：3~30μm，摻雜濃度低。

集電結面積大：集電區與發射區為同一性質的摻雜半導體，但集電區的摻雜濃度要低，面積要大，便于收集電子。

三極管不是兩個PN結的簡單拼湊，兩個二極管是組成不了一個三極管的。工藝結構在半導體產業相當重要，PN結不同材料成份、尺寸、排布、摻雜濃度和幾何結構，能制成各樣各樣的元件，包括IC。

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

外加電壓使發射結正向偏置，集電結反向偏置。

集/基/射電流關系：

IE = IB + IC

IC = β * IB

如果 IB = 0， 那么 IE = IC = 0

三極管特性曲線

1.輸入特性曲線：

集-射極電壓UCE為某特定值時，基極電流IB與基-射電壓UBE的關系曲線。

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，正常工作時，NPN硅管啟動電壓約為0.6V；UBE《UBER時，三極管高絕緣，UBE》UBER時，三極管才會啟動；UCE增大，特性曲線右移，但當UCE》1.0V后，特性曲線幾乎不再移動。

2.輸出特性曲線：

基極電流IB一定時，集極IC與集-射電壓UCE之間的關系曲線，是一組曲線。

當IB=0時，IC→0，稱為三極管處于截止狀態，相當于開關斷開。

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出來。

當IB很大時，IC變得很大，不能繼續隨IB的增大而增大，三極管失去放大功能，表現為開關導通。

三極管核心功能

開關功能：以小電流控制大電流的通斷。

放大功能：小電流微量變化，在大電流上放大表現出來。

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，集極電流為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，如下圖所示：

所以，三極管放大的是信號波幅，三極管并不能放大系統的能量。能放大多少？哪要看三極管的放大倍數β值了。

首先β由三極管的材料和工藝結構決定，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，漏電流越大，β值過大的三極管性能不穩定。

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，β值接近一常數，當頻率越過某一數值后，β值會明顯減少。

β值隨集電極電流IC的變化而變化，IC為mA級別時β值較小。一般地，小功率管的放大倍數比大功率管的大。

三極管主要性能參數

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，其中對以下三個參數影響最大。

1.對放大倍數β的影響：

在基極輸入電流IB不變的情況下，集極電流IC會因溫度上升而急劇增大。

2.對反向飽和電流（漏電流）ICEO的影響：

ICEO是由少數載流子漂移運動形成的，它與環境溫度關系很大，ICEO隨溫度上升會急劇增加。溫度上升10℃，ICEO將增加一倍。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。

3.對發射結電壓 UBE的影響：

溫度上升1℃，UBE將下降約2.2mV。 溫度上升，β、IC將增大，UCE將下降，在電路設計時應考慮采取相應的措施，如遠離熱源、散熱等，克服溫度對三極管性能的影響。

三極管的分類

三極管命名標識

不同的國家/地區對三極管型號命名方式不同，還有很多廠家使用自己的命名方式。

三極管封裝及管腳排列方式

1.關于封裝：

三極管設計額定功率越大，其體積就越大，又由于封裝技術的不斷更新發展，所以三極管有多種多樣的封裝形式。當前，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。

2.關于管腳排列：

不同品牌、不同封裝的三極管管腳定義不完全一樣的，一般地，有以上規律：

規律一：對中大功率三極管，集電極明顯較粗大甚至以大面積金屬電極相連，多處于基極和發射極之間

規律二：對貼片三極管，面向標識時，左為基極，右為發射極，集電極在另一邊

三極管的選用原則

考慮三極管的性能極限，按“2/3”安全原則選擇合適的性能參數。

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，失去放大功能。

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。

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，三極管產生很大的集電極電流擊穿，造成永久性損壞。

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，對應于β=1 時的頻率?T叫作三極管的特征頻率。

此外，還應考慮體積成本，優先選用貼片式三極管。
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