图说三极管，太全了！
图说三极管，太全了！
"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；
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<PCM<1w 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 | 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 | 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 （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。
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