史上最详细三极管图解

晶体三极管是电子电路的核心元件，是半导体的基本元件之一。

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，三极管有很多种，如下图所示。

狭义上，三极管是指最基本、最通用的三极管。

本文描述了狭义三极管，它有许多别称：

发明三极管

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。

真空电子管具有体积大、能耗大、反应慢等缺点。

第二次世界大战期间，军事上迫切需要一个稳定、可靠、快速、敏感的电信号放大元件，研究成果。

在早期，由于锗晶体易于获得，锗晶体三极管主要用于开发和应用。硅晶体出现后，由于硅管的高效生产工艺，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密封；

大功率三极管一般用金属铁壳包裹。

三极管核心结构

核心是“PN”结

两个背对背PN结

可以是NPN组合，或者PNP组合

由于硅NPN类型是目前三极管的主流，以下内容主要是硅NPN以型三极管为例！

NPN型三极管结构示意图

硅NPN三极管的制造工艺

管芯结构截面图

工艺结构特点：

发射区高掺杂：为方便发射结发射电子，发射区半导体掺杂浓度高于基区，发射结面积小；

基地规模很薄：3~30μm，掺杂浓度低；

集电结面积大：集电区和发射区是同一性质的混合半导体，但集电区的混合浓度低，面积大，便于收集电子。

三极管不是两个PN两个二极管不能形成一个三极管！

工艺结构在半导体行业中非常重要，PN结合不同的材料成分、尺寸、布置、混合浓度和几何结构，可制成包括IC。

三极管电路符号

三极管电流控制原理示意图(自由电子和电流的流向相反)

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当基极电流为特定值时IB与基-射电压UBE关系曲线。

UBER三极管启动的临界电压受集射极电压大小的影响，正常工作时，NPN硅管的启动电压约为0.6V；

UBEUBER三极管启动启动；

UCE增加，特征曲线右移，但当UCE>1.0V后来，特征曲线几乎不再移动。

输出特性曲线

基极电流IB一定时间，集极IC与集-射电压UCE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会有轻微的变化IC以上几十甚至几百倍的放大表现出来；

当IB很大时，IC变大，不能继续跟随IB三极管失去了放大功能，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，大电流放大。

开关功能：用小电流控制大电流的通断。

三极管放大功能

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较大的电信号，如下图所示：

因此，三极管放大信号波幅，三极管不能放大系统的能量。

能放大多少？

这取决于三极管的放大倍数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常用范围为：30~200

锗三极管β常用范围为：30~100

β值越大，漏电流越大，β三极管性能不稳定，值过大。

其次β受信号频率和电流大小的影响：

信号频率在一定范围内，β当频率超过一定值时，值接近一常数，β值将显著降低。

β值随集电极电流IC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。

三极管的主要性能参数

三极管性能参数较多，可分为直流、交流和极限参数：

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)放大倍数β的影响：

输入基极电流IB在不变的情况下，集极电流IC会因温度升高而急剧增加。

(2)反向饱和电流(漏电流)ICEO的影响：

ICEO它由少数载流子漂移形成，与环境温度密切相关，ICEO随着温度的升高，它会急剧增加。温度上升10℃，ICEO加倍。

虽然硅管在室温下的漏电流ICEO很小，但温度升高后，漏电流会高达几百微安。

(3)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

三极管命名标志

不同的国家/地区以不同的方式命名三极管型号。许多制造商使用自己的命名方法。

中国大陆三极管命名

例：3DD12X NPN低频大功率硅三极管

日本三极管型号命名

例：2SC1895 高频NPN型三极管

美国电子工业协会（EIA）命名三极管的方法

例：JANS2N2904 宇航级三极管

欧洲三极管命名方式

例：BC208A 硅材料低频小功率三极管

三极管封装及管脚布置

关于封装：

三极管设计术的不断更新和发展，三极管设计的额定功率越大，其体积越大。

目前，塑料包装是三极管的主流包装形式，其中TO”和“SOT形式封装最为常见。

管脚排列：

不同品牌、不同包装的三极管脚定义不完全相同，一般有上述规则：

规则1：对于中大功率三极管，集电极明显较厚，甚至与大面积金属电极相连，多在基极和发射极之间；

规则二:贴片三极管面向标志时，左为基极，右为发射极，集电极在另一侧；

基极—B 集电极—C 发射极—E

选择三极管的原则

根据2/3安全原则，考虑三极管的性能极限，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减少值，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 烧坏三极管。

集-射反向电压UCE:

UCE<2/3*UBVCEO

UBVCEO当基极开路时，集-射反向击穿电压

集/射极间电压UCE>UBVCEO三极管产生大量的集电极电流击穿，造成永久性损坏。

工作频率：

?=15%*T

?T—特征频率

随着工作频率的增加，三极管的放大能力会降低，对应β=1 时的频率？T特征频率称为三极管。

此外，还应考虑体积成本，体积成本。

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