"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。其他内容可点击以下链接: 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 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? 那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ƒββ因频率升高3dB对应的频率共基截止频率ƒαα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 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。 我国大陆地区三极管命名方式 3DD12X2:二极管 3:三极管A:PNP锗 B:NPN锗 C:PNP硅 D:NPN硅X:低频小功率 G:高频小功率 D:低频大功率 A:高频大功率序号规格号
例:3DD12X NPN型低频大功率硅三极管 日本三极管型号命名方式 2SD13B0:光电管 1:二极管 2:三极管注册标识A:PNP高频管 B:PNP低频管 C:NPN高频管 D:NPN低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 JANS2N2904AJANTX:特军级 JANTXV:超特军 JANS:宇航级 (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 BC208AA: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。 编辑:黄飞 (责任编辑:admin) |