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史上最详细图解三极管

电源联盟 2018-03-27 10:11 次阅读

"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0.5 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 <   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。

原文标题:图说三极管,太容易懂了!(史上最详细版本)

文章出处:【微信号:Power-union,微信公众号:电源联盟】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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评论

chomer
讲解的非常清晰,比书本的要容易理解。

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