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一文全面了解三極管

發(fā)布時(shí)間:2020-02-20 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】這里講解三極管的發(fā)明史、核心結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)示意圖、制造流程、結(jié)構(gòu)切面圖、工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電路符號、電流控制原理示意圖、基本電路等,讓大家全面了解三極管。
 
 
廣義上,三極管有多種,常見如下圖所示。
 
 
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
 
 
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;
 
UBE<uber時(shí),三極管高絕緣,ube>UBER時(shí),三極管才會啟動(dòng);</uber時(shí),三極管高絕緣,ube>
 
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)于開關(guān)斷開;
 
當(dāng)IB>0時(shí), IB輕微的變化,會在IC上以幾十甚至百多倍放大表現(xiàn)出來;
 
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。
 
開關(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
微弱變化的電信號通過三極管放大成波幅度很大的電信號,如下圖所示:
 
 
所以,三極管放大的是信號波幅,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值過大的三極管性能不穩(wěn)定。
 
其次β會受信號頻率和電流大小影響:
 
信號頻率在某一范圍內(nèi),β值接近一常數(shù),當(dāng)頻率越過某一數(shù)值后,β值會明顯減少。
 
β值隨集電極電流IC的變化而變化,IC為mA級別時(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:
 
 
溫度對三極管性能的影響
 
溫度幾乎影響三極管所有的參數(shù),其中對以下三個(gè)參數(shù)影響最大。
 
(1)對放大倍數(shù)β的影響:
 
 
在基極輸入電流IB不變的情況下,集極電流IC會因溫度上升而急劇增大。
 
(2)對反向飽和電流(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,漏電流會高達(dá)幾百微安以上。
 
(3)對發(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,克服溫度對三極管性能的影響。
 
三極管的分類
 
 
三極管命名標(biāo)識
 
不同的國家/地區(qū)對三極管型號命名方式不同。還有很多廠家使用自己的命名方式。
 
中國大陸三極管命名方式
 
例:3DD12X NPN型低頻大功率硅三極管
 
日本三極管型號命名方式
 
例:2SC1895 高頻NPN型三極管
 
美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)三極管命名方式
 
例:JANS2N2904 宇航級三極管
 
歐洲三極管命名方式
 
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。
 
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:對貼片三極管,面向標(biāo)識時(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 < 2 / 3 * ICM
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ƒ:
ƒ = 15% * ƒT
ƒT — 特征頻率
 
隨著工作頻率的升高,三極管的放大能力將會下降,對應(yīng)于β=1 時(shí)的頻率ƒT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。
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