在电子元件家族中,晶体管是半导体有源元件中的分立元件。
从广义上讲,三极管有很多种,最常见的如下图所示。
狭义上的三极管是指双极三极管,是最基本、用途最广泛的三极管。
三极管的发明
在晶体晶体管出现之前,真空电子晶体管在电子电路中控制电流,具有放大和开关功能。
真空管具有体积大、能耗大、响应慢等缺点。
二战期间,军方急需一种稳定、可靠、快速、灵敏的电信号放大元件,而研究成果是在二战结束后获得的。
早期,由于锗晶体较容易获得,所以主要开发和应用的是锗晶体晶体管。硅晶体出现后,由于硅管高效的生产工艺,锗管逐渐被淘汰。
经过半个世纪的发展,三极管的种类繁多,形状各异。
小功率晶体管一般采用塑料封装;大功率晶体管一般封装在金属铁壳内。
晶体管核心结构
核心是“PN”结
它是两个背靠背的PN结
可以是NPN组合,也可以是PNP组合。
由于硅NPN型晶体管是目前晶体管的主流,因此以下内容主要以硅NPN型晶体管为例:
NPN晶体管结构示意图
硅NPN晶体管的制造工艺
模具结构剖视图
工艺结构特点:
发射极区高掺杂:为了便于发射极结发射电子,发射极区的半导体掺杂浓度高于基极区,发射极结的面积更小;
基区尺寸很薄,为:3~30m,掺杂浓度低;
集电极结面积大:集电极区和发射极区都是性质相同的掺杂半导体,但集电极区的掺杂浓度要低,面积要大,以利于电子的收集。
三极管不是两个PN 结的简单拼凑而成。两个二极管不能组成三极管!
工艺结构在半导体行业中非常重要。不同的材料成分、尺寸、排列、掺杂浓度和PN结的几何结构可以制成各种组件,包括IC。
晶体管电路符号
三极管电流控制原理示意图
基本三极管电路
施加的电压正向偏置发射极结并反向偏置集电极结。
设置/基站/无线电电流关系:
IE=IB + IC
IC= * IB
如果IB=0,则IE=IC=0
三极管特性曲线
输入特性曲线
当集电极-发射极电压UCE为一定值时,基极电流IB与基极-发射极电压UBE之间的关系曲线。
UBER是晶体管的临界启动电压,它会受到集电极-发射极电压的影响。正常工作时,NPN硅管的启动电压约为0.6V;
晶体管只有在UBEUBER时才会启动;
随着UCE的增加,特性曲线向右移动,但当UCE1.0V时,特性曲线几乎停止移动。
输出特性曲线
当基极电流IB一定时,集电极IC与集电极-发射极电压UCE之间的关系曲线是一组曲线。
当IB=0时,IC0,表示晶体管处于截止状态,相当于开关被关断;
当IB0时,IB的微小变化都会在IC上被放大数十倍甚至数百倍;
当IB很大时,IC也变得很大,并且不能随着IB的增加而继续增加。晶体管失去放大功能,表现为开关导通。
晶体管核心功能
放大功能:小电流的微小变化被放大并以大电流表达。
开关功能:用小电流控制大电流的通断。
三极管的放大作用
IC= * IB (其中 10~400)
例:当基极电流IB=50A时,集电极电流为:
IC=IB=120*50A=6000A
微弱变化的电信号被三极管放大成幅度较大的电信号,如下图所示:
因此,三极管放大了信号幅度,但三极管不能放大系统的能量。
可以放大多少?
那取决于三极管的放大值!
首先,由三极管的材料和工艺结构决定:
例如,硅晶体管的值常见范围为:30~200
锗晶体管的值常见范围为:30~100
值越大,漏电流越大,值过大的晶体管性能不稳定。
其次,会受到信号频率和电流大小的影响:
当信号频率在一定范围内时,值接近常数。当频率超过一定值时,值会显着下降。
值随集电极电流IC的变化而变化,IC在mA级时值较小。一般小功率管的放大倍数比大功率管大。
三极管主要性能参数
温度对晶体管性能的影响
温度几乎影响三极管的所有参数,其中以下三个参数影响最大。
(1) 对放大倍率的影响
当基极输入电流IB保持不变时,集电极电流IC会因温度升高而急剧增大。
(2) 对反向饱和电流(漏电流)ICEO的影响
ICEO是由少数载流子的漂移运动形成的,与环境温度密切相关。 ICEO会随着温度的升高而急剧增加。如果温度上升10C,ICEO就会翻倍。
虽然室温下硅管的漏电流ICEO很小,但当温度升高时,漏电流将达到数百微安以上。
(3) 对发射结电压UBE的影响
当温度升高1C时,UBE将下降约2.2mV。
随着温度升高,和IC会增大,UCE会减小。电路设计时应考虑相应的措施,如远离热源、散热等,克服温度对晶体管性能的影响。
三极管的分类
三极管命名标记
不同国家/地区对三极管型号的命名不同。也有很多厂家采用自己的命名方式。
例:BC208A硅材料低频小功率晶体管
晶体管封装和引脚排列
关于包装
三极管设计的额定功率越大,其体积也越大。由于封装技术的不断更新和发展,三极管有多种封装形式。
目前,塑料封装是晶体管的主流封装形式,其中以“TO”和“SOT”形式封装最为常见。
关于引脚排列
不同品牌、不同封装的晶体管的管脚定义并不完全相同。一般来说,有以下规则:
规则一:对于中、大功率晶体管,集电极明显较厚,甚至连接有大面积的金属电极,多在基极和发射极之间;
规则二:对于贴片三极管,面对标识时,基极在左边,发射极在右边,集电极在另一面;
基极 B 集电极 C 发射极 E
三极管的选择原则
考虑晶体管的性能限制,按照“2/3”安全原则选择合适的性能参数。
集电极电流IC:
IC2/3*ICM
ICM集电极最大允许电流
当ICICM发生时,晶体管的值减小,失去放大功能。
采集器功率PW:
PW2/3*PCM
PCM采集器最大允许功率。
当PW时PCM晶体管会烧坏。
集电极-发射极反向电压UCE:
UCE2/3*UBVCEO
当UBVCEO基极开路时,集电极-发射极反向击穿电压
当集电极/发射极电压UCEUBVCEO时,晶体管会产生很大的集电极击穿电流,造成永久性损坏。
工作频率f:
f=15%*fT
T——特征频率
随着工作频率的升高,三极管的放大能力会下降。 =1对应的频率fT称为三极管的特征频率。
此外,还应考虑体积成本,应优先考虑片式晶体管。
用户评论
终于看到这么详细的三极管讲解了!我一直对电子元件感兴趣,但总觉得学习起来太难。这篇博文讲得通俗易懂,图文并茂,我一下子就理解三极管的工作原理和应用场景,真是太棒了!
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作为一个新手电子爱好者,以前一直对三极管这个东西一头雾水,看了这篇博客后终于豁然开朗了。内容很全面,涵盖了从历史起源到基本特性再到实际应用的各个方面,下次去电路实验的时候就能更有信心的啦!
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说的这么复杂?作为一个刚接触电子电路的人来说,这篇文章有点太难懂了,还是需要一些基础知识才能看明白。不过里面的图确实很有帮助,把三极管结构和工作原理展示得非常清晰。
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我记得以前学习的时候,老师讲解三极管就只讲个大概,根本没深入到这种程度。这篇文章终于让我明白了三极管的真正奥秘!强烈推荐给所有想深入了解电子元件原理的朋友们阅读!
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三极管应用范围 really wide, but this article doesn't make it clear. Would be great if there was more discussion on the different applications of transistors in various electronic devices.
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这篇博文真是太深入,从三极管的历史发展到不同类型的分类,再到各种电路图示和应用例子,都非常详尽。作者对电子元件的理解很深,写的也很清楚易懂,不愧是“最详细”版本!
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说实话,我看了这个标题就有点懵逼。三极管这种东西我平时很少接触到,这篇文章的内容太深入也太专业了,估计我需要再学习一段时间才能看明白。不过我还是佩服作者的写作热情和专业水平!
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很多文章解释三极管的时候都比较浅显,没有解释其内部的工作原理。这篇博文很好地解决了这个问题,结合了电路图示和物理概念,让我对三极管内部工作机制有了更清晰的理解。
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我觉得这个标题有点夸张,“最详细”太绝对了,毕竟电子元件的研究领域非常广阔,不可能涵盖所有信息。但是这篇文章的确很好地介绍了三极管的基本原理和应用场景,对于初学者来说还是很有用的参考材料。
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作为一名电子工程师,我觉得这篇博文对我的工作很有帮助!它不仅回顾了三极管的历史发展,还详细分析了不同类型的特性和使用方法。相信很多跟我一样从事电子设计的工作人员都会受益匪浅!
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图解太棒了! 文章的插画非常清楚地展示了三极管的结构和信号流动过程,让我更容易理解它的工作原理。文章内容也很丰富,涵盖了各个方面的信息,不愧是“最详细”版本!
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感觉有些地方写的比较学术性强,我阅读的时候还是有点费劲。建议作者可以适当使用一些通俗易懂的语言和例子,让更广泛的用户能够理解文章内容。
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三极管真是太奇妙了!这篇博文让我了解到这小小的元件居然蕴藏着如此强大的功能,简直颠覆了我对电子电路的认知!我更加期待以后深入学习电子工程。
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这个标题是不是有点唬人?说“最详细”也太夸张了吧?总觉得有些地方解释的还不够透彻,比如关于不同类型三极管的特点和应用场景,我觉得可以再详细一些。
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终于有人把三极管介绍得这么清楚了!以前我总是把它的名字跟晶体管混淆,看完这篇博文以后终于明白了它们的区别。作者的写作风格很好,很适合新手学习。
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对于已经对电工电子知识有一定了解的人来说,这篇文章还是比较基础的内容。我希望作者能够提供更深入的探讨,比如三极管在不同电路中的应用,以及最新的研究进展。
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虽然标题写得很有劲头,但内容本身质量可以再提升一下。我认为这篇博文应该更多地结合实际案例,让读者更直观地理解三极管的原理和应用意义。
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