乾貨 | 圖說三極體，教你真正學懂三極體

2020-09-05 慧聰電子網

晶體三極體 —— 是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。在電子元件家族中，三極體屬於半導體主動元件中的分立元件。


廣義上，三極體有多種，常見如下圖所示。



狹義上，三極體指雙極型三極體，是最基礎最通用的三極體。本文所述的是狹義三極體，它有很多別稱:



三極體的發明


晶體三極體出現之前是真空電子三極體在電子電路中以放大、開關功能控制電流。真空電子管存在笨重、耗能、反應慢等缺點。


真空電子三極體


二戰時，軍事上急切需要一種穩定可靠、快速靈敏的電信號放大元件，研究成果在二戰結束後獲得。早期，由於鍺晶體較易獲得，主要研製應用的是鍺晶體三極體。矽晶體出現後，由於矽管生產工藝很高效，鍺管逐漸被淘汰。


經半個世紀的發展，三極體種類繁多，形貌各異。 小功率三極體一般為塑料包封；大功率三極體一般為金屬鐵殼包封。



三極體核心結構


三極體的核心是「PN」結，是兩個背對背的PN結。可以是NPN組合，也或以是PNP組合。由於矽NPN型是當下三極體的主流，以下內容主要以矽NPN型三極體為例。

NPN型三極體結構示意圖


三極體的製造流程圖



工藝結構特點


管芯結構切面圖


  • 發射區高摻雜：為了便於發射結髮射電子，發射區半導體摻濃度高於基區的摻雜濃度，且發射結的面積較小。
  • 基區尺度很薄：3~30μm，摻雜濃度低。
  • 集電結面積大：集電區與發射區為同一性質的摻雜半導體，但集電區的摻雜濃度要低，面積要大，便於收集電子。


三極體不是兩個PN結的簡單拼湊，兩個二極體是組成不了一個三極體的。工藝結構在半導體產業相當重要，PN結不同材料成份、尺寸、排布、摻雜濃度和幾何結構，能製成各樣各樣的元件，包括IC。


三極體電路符號


三極體電流控制原理示意圖



三極體基本電路


外加電壓使發射結正向偏置，集電結反向偏置。



集/基/射電流關係：

  • IE = IB + IC
  • IC = β * IB
  • 如果 IB = 0, 那麼 IE = IC = 0


三極體特性曲線


輸出特性曲線

集-射極電壓UCE為某特定值時，基極電流IB與基-射電壓UBE的關係曲線。



UBER是三極體啟動的臨界電壓，它會受集射極電壓大小的影響，正常工作時，NPN矽管啟動電壓約為0.6V；UBE<UBER時，三極體高絕緣，UBE>UBER時，三極體才會啟動；UCE增大，特性曲線右移，但當UCE>1.0V後，特性曲線幾乎不再移動。


輸出特性曲線


基極電流IB一定時，集極IC與集-射電壓UCE之間的關係曲線，是一組曲線。



  • 當IB=0時，IC→0，稱為三極體處於截止狀態，相當於開關斷開。
  • 當IB>0時，IB輕微的變化，會在IC上以幾十甚至百多倍放大表現出來。
  • 當IB很大時，IC變得很大，不能繼續隨IB的增大而增大，三極體失去放大功能，表現為開關導通。


三極體核心功能

開關功能：以小電流控制大電流的通斷。

放大功能：小電流微量變化，在大電流上放大表現出來。


三極體的放大功能


IC = β * IB （其中β≈ 10~400 ），例：當基極通電流IB=50μA時，集極電流為IC=βIB=120*50μA=6000μA。


微弱變化的電信號通過三極體放大成波幅度很大的電信號，如下圖所示：



所以，三極體放大的是信號波幅，三極體並不能放大系統的能量。能放大多少？哪要看三極體的放大倍數β值了。


  • 首先β由三極體的材料和工藝結構決定，如矽三極體β值常用範圍為：30~200，鍺三極體β值常用範圍為：30~100，β值越大，漏電流越大，β值過大的三極體性能不穩定。
  • 其次β會受信號頻率和電流大小影響： 信號頻率在某一範圍內，β值接近一常數，當頻率越過某一數值後，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β值較小。一般地，小功率管的放大倍數比大功率管的大。


三極體主要性能參數


溫度對三極體性能的影響


溫度幾乎影響三極體所有的參數，其中對以下三個參數影響最大。


對放大倍數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。



對反向飽和電流（漏電流）ICEO的影響


ICEO是由少數載流子漂移運動形成的，它與環境溫度關係很大，ICEO隨溫度上升會急劇增加。溫度上升10℃，ICEO將增加一倍。雖然常溫下矽管的漏電流ICEO很小，但溫度升高後，漏電流會高達幾百微安以上。



對發射結電壓 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，在電路設計時應考慮採取相應的措施，如遠離熱源、散熱等,克服溫度對三極體性能的影響。



三極體的分類



三極體命名標識


不同的國家/地區對三極體型號命名方式不同。還有很多廠家使用自己的命名方式。



三極體封裝及管腳排列方式


關於封裝


三極體設計額定功率越大，其體積就越大，又由於封裝技術的不斷更新發展，所以三極體有多種多樣的封裝形式。當前，塑料封裝是三極體的主流封裝形式，其中「TO」和「SOT」形式封裝最為常見。


關於管腳排列


不同品牌、不同封裝的三極體管腳定義不完全一樣的，一般地，有以上規律：


  • 規律一：對中大功率三極體，集電極明顯較粗大甚至以大面積金屬電極相連，多處於基極和發射極之間
  • 規律二：對貼片三極體，面向標識時，左為基極，右為發射極，集電極在另一邊


三極體的選用原則


考慮三極體的性能極限，按「2/3」安全原則選擇合適的性能參數。


  • 集極電流IC：IC < 2 / 3 * ICM，ICM 集極最大允許電流，當 IC>ICM時，三極體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PW > PCM 三極體將燒壞。
  • 集-射反向電壓UCE：UCE < 2 / 3 * UBVCEO，UBVCEO基極開路時，集-射反向擊穿電壓，集/射極間電壓UCE>UBVCEO時，三極體產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 — 特徵頻率，隨著工作頻率的升高，三極體的放大能力將會下降，對應於β=1 時的頻率ƒT叫作三極體的特徵頻率。
  • 此外，還應考慮體積成本，優先選用貼片式三極體。

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