詳解三極管（結(jié)構(gòu)、制程、原理特性、電路、分類與發(fā)展）

"晶體三極管，是半導(dǎo)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(dǎo)體主動(dòng)元件中的分立元件。

廣義上，三極管有多種，常見(jiàn)如下圖所示。

狹義上，三極管指雙極型三極管，是最基礎(chǔ)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(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、開(kāi)關(guān)功能控制電流。

真空電子管存在笨重、耗能、反應(yīng)慢等缺點(diǎn)。

二戰(zhàn)時(shí)，軍事上急切需要一種穩(wěn)定可靠、快速靈敏的電信號(hào)放大元件，研究成果在二戰(zhàn)結(jié)束后獲得。

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

經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)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(jié)構(gòu)

核心是“PN”結(jié)

是兩個(gè)背對(duì)背的PN結(jié)

可以是NPN組合，也或以是PNP組合

由于硅NPN型是當(dāng)下三極管的主流，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

管芯結(jié)構(gòu)切面圖

工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

發(fā)射區(qū)高摻雜：為了便于發(fā)射結(jié)發(fā)射電子，發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體摻濃度高于基區(qū)的摻雜濃度，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，但集電區(qū)的摻雜濃度要低，面積要大，便于收集電子。

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

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

三極管電路符號(hào)

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，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(shí)，基極電流IB與基-射電壓UBE的關(guān)系曲線。

UBER是三極管啟動(dòng)的臨界電壓，它會(huì)受集射極電壓大小的影響，正常工作時(shí)，NPN硅管啟動(dòng)電壓約為0.6V；

UBEUBER時(shí)，三極管才會(huì)啟動(dòng)；

UCE增大，特性曲線右移，但當(dāng)UCE>1.0V后，特性曲線幾乎不再移動(dòng)。

輸出特性曲線

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

當(dāng)IB=0時(shí), IC→0 ,稱為三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi);

當(dāng)IB>0時(shí), IB輕微的變化,會(huì)在IC上以幾十甚至百多倍放大表現(xiàn)出來(lái);

當(dāng)IB很大時(shí)，IC變得很大，不能繼續(xù)隨IB的增大而增大，三極管失去放大功能，表現(xiàn)為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。

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(lái)。

開(kāi)關(guān)功能：以小電流控制大電流的通斷。

三極管的放大功能

IC = β * IB （其中β≈ 10~400 ）

例：當(dāng)基極通電流IB=50μA時(shí),集極電流:

IC=βIB=120*50μA=6000μA

微弱變化的電信號(hào)通過(guò)三極管放大成波幅度很大的電信號(hào)，如下圖所示：

所以，三極管放大的是信號(hào)波幅，三極管并不能放大系統(tǒng)的能量。能放大多少？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，漏電流越大，β值過(guò)大的三極管性能不穩(wěn)定。

其次β會(huì)受信號(hào)頻率和電流大小影響：

信號(hào)頻率在某一范圍內(nèi)，β值接近一常數(shù)，當(dāng)頻率越過(guò)某一數(shù)值后，β值會(huì)明顯減少。

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

三極管主要性能參數(shù)

三極管性能參數(shù)較多，有直流、交流和極限參數(shù)之分：

類型	參數(shù)項(xiàng)	符號(hào)	意義
直流參數(shù)	共射直流放大系數(shù)	β	無(wú)交變信號(hào)輸入，共射電路集基電流的比值。β=IC/IB
共基直流放大系數(shù)	α	無(wú)交變信號(hào)輸入，共基極電路集射的比值。
集-射 反向電流	ICEO	基極開(kāi)路，集-射極間反向電流，又稱漏電流、穿透電流。
集極 反向電流	ICBO	射極開(kāi)路時(shí)，集電結(jié)反向電流（漏電流） ICEO=βICBO
交流參數(shù)	共射交流放大系數(shù)	β	共射電路，集基電流變化量比值：β=ΔIC/ΔIB
共基交流放大系數(shù)	α	共基電路，集射電流變化量比值：α=ΔIC/ΔIE
共射截止頻率	?β	β因頻率升高3dB對(duì)應(yīng)的頻率
共基截止頻率	?α	α因頻率升高而下降3dB對(duì)應(yīng)的頻率
特征頻率	?T	頻率升高，β下降到1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。
極限參數(shù)	集極最大電流	ICM	集極允許通過(guò)的最大電流。
集極最大功率	PCM	實(shí)際功率過(guò)大，三極管會(huì)燒壞。
集-射極擊穿電壓	UCEO	基極開(kāi)路時(shí)，集-射極耐電壓值。

溫度對(duì)三極管性能的影響

溫度幾乎影響三極管所有的參數(shù)，其中對(duì)以下三個(gè)參數(shù)影響最大。

（1）對(duì)放大倍數(shù)β的影響：

在基極輸入電流IB不變的情況下，集極電流IC會(huì)因溫度上升而急劇增大。

（2）對(duì)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(yùn)動(dòng)形成的，它與環(huán)境溫度關(guān)系很大，ICEO隨溫度上升會(huì)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(huì)高達(dá)幾百微安以上。

（3）對(duì)發(fā)射結(jié)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取相應(yīng)的措施，如遠(yuǎn)離熱源、散熱等,克服溫度對(duì)三極管性能的影響。

三極管的分類

分類角度	種類	說(shuō)明
從技術(shù)工藝	按材料	硅三極管0.6V 鍺三極管0.3V	一般地： 鍺管為PNP型 硅管為NPN型
按結(jié)構(gòu)	PNP型 NPN型
按制造工藝	平面型 合金型 擴(kuò)散型	高頻管多為擴(kuò)散型 低頻管多為合金型
從性能	按頻率	低頻管<3MHz 中頻管3~30(MHZ) 高頻管30~500 (MHZ) 超高頻管>500MHZ
按功率	小功率PCM<0.5W 中功率0.5 大功率PCM>1w	功率越大體積越大，散熱要求越高。
功能 用途	放大管開(kāi)關(guān)管 高反壓管光電管 帶阻尼管數(shù)字管
從封裝外形	按封裝材料	金屬封裝玻璃封裝 陶瓷封裝塑料封裝 薄膜封裝	塑料封裝為主流 金屬封裝成本較高
按封裝形式	引線式TO 貼片式SOT	貼片式正逐步取代引線式。

三極管命名標(biāo)識(shí)

不同的國(guó)家/地區(qū)對(duì)三極管型號(hào)命名方式不同。還有很多廠家使用自己的命名方式。

中國(guó)大陸三極管命名方式

3	D	D	12	X
2：二極管 3：三極管	A：PNP鍺 B：NPN鍺 C：PNP硅 D：NPN硅	X：低頻小功率G：高頻小功率D：低頻大功率A：高頻大功率	序號(hào)	規(guī)格號(hào)

例：3DD12X NPN型低頻大功率硅三極管

日本三極管型號(hào)命名方式

2	S	D	13	B
0：光電管 1：二極管 2：三極管	注冊(cè)標(biāo)識(shí)	A：PNP高頻管B：PNP低頻管C：NPN高頻管D：NPN低頻管	電子協(xié)會(huì)登記順序	改進(jìn)型號(hào)

例：2SC1895 高頻NPN型三極管

美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）三極管命名方式

JANS	2	N	2904	A
JANTX：特軍級(jí)JANTXV：超特軍JANS：宇航級(jí) （無(wú)）：非軍用品	1：二極管 2：三極管 “n”：n個(gè)PN結(jié)元件	EIA注冊(cè)標(biāo)識(shí)	EIA登記順序號(hào)	不同檔別

例：JANS2N2904 宇航級(jí)三極管

歐洲三極管命名方式

B	C	208	A
A：鍺管 B：硅管	C：低頻小功率 D：低頻大功率 F：高頻小功率 L：高頻大功率	登記順序號(hào)	β的檔別

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(jì)額定功率越大，其體積就越大，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。

當(dāng)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(jiàn)。

關(guān)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(guī)律：

規(guī)律一：對(duì)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(fā)射極之間；

規(guī)律二：對(duì)貼片三極管，面向標(biāo)識(shí)時(shí)，左為基極，右為發(fā)射極，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，按“2/3”安全原則選擇合適的性能參數(shù)。:

集極電流IC:

IC

ICM集極最大允許電流

當(dāng) IC>ICM時(shí)，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(dāng)PW> PCM三極管將燒壞。

集-射反向電壓UCE:

UCE< ?2 / 3?*?UBVCEO

UBVCEO基極開(kāi)路時(shí),集-射反向擊穿電壓

集/射極間電壓UCE>UBVCEO時(shí)，三極管產(chǎn)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(huì)下降，對(duì)應(yīng)于β=1時(shí)的頻率?T叫作三極管的特征頻率。

此外，還應(yīng)考慮體積成本，優(yōu)先選用貼片式三極管。