三极管,一次就搞清楚

    技术2025-02-04  7

    三极管的诞生无疑加剧了人类的科技进步:手机,电脑,平板……

    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;

    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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