"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;
UBEUBER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
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
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
共射电路,集基电流变化量比值:β=ΔIC/ΔIB
共基交流放大系数
共基电路,集射电流变化量比值:α=ΔIC/ΔIE
共射截止频率
β因频率升高3dB对应的频率
共基截止频率
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