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。