详解三极管（结构、制程、原理特性、电路、分类与发展）
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。
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广义上，三极管有多种，常见如下图所示。
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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:
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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。
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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。
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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。
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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！
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硅NPN型三极管的制造流程
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管芯结构切面图
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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。
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外加电压使发射结正向偏置，集电结反向偏置。
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集/基/射电流关系：
IE?=?IB?+IC
IC?=?β??IB
如果IB=0,那么IE=IC=0
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。
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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>UBER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。
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。
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当IB=0时,IC=ICEO≒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=12050μA=6000μA=6mA
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：
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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,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 ?β β因频率升高3dB对应的频率 共基截止频率 ?α α因频率升高而下降3dB对应的频率 特征频率 ?T 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。 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
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
β因频率升高3dB对应的频率
共基截止频率
?α
α因频率升高而下降3dB对应的频率
特征频率
?T
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。
UCEO
基极开路时，集-射极耐电压值。
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。
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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。
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。
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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。
温度上升1，UBE将下降约2.2mV。
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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。
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0.5W大功率PCM?>1W 功率越大体积越大，散热要求越高。 功能用途 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。 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
大功率PCM?>1w
功率越大体积越大，散热要求越高。
功能
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。
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。
3 D D 12 X 2：二极管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 12
2：二极管
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2 S D 13 B 0：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 13
0：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JANS 2 N 2904 A JANTX：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 JANS
2904
JANTX：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B C 208 A A：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 208
A：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。
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；
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基极—B???集电极—C???发射极—E
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?
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?
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?
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?：
??=?15%???T
?T—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?T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。
图1（b)是三极管的输入特性曲线，它表示Ib随Ube的变化关系，其特点是：
1）当Uce在0-2伏范围内，曲线位置和形状与Uce有关，但当Uce高于2伏后，曲线Uce基本无关，通常输入特性由两条曲线（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。
2）当Ube＜UbeR时，Ib≈O称（0～UbeR)的区段为“死区”，当Ube＞UbeR时，Ib随Ube增加而增加，放大时，三极管工作在较直的区段。
3）三极管输入电阻，定义为:rbe=(△Ube/△Ib)Q点，其估算公式为：rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏）rb为三极管的基区电阻，对低频小功率管，rb约为300欧。
2、输出特性
输出特性表示Ic随Uce的变化关系（以Ib为参数），从图2（C）所示的输出特性可见，它分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。
截止区
当Ube＜0时，则Ib≈0，发射区没有电子注入基区，但由于分子的热运动，集电集仍有小量电流通过，即Ic=Iceo称为穿透电流，常温时Iceo约为几微安，锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流Icbo的关系是：Icbo=(1+β)Icbo常温时硅管的Icbo小于1微安，锗管的Icbo约为10微安，对于锗管，温度每升高12℃，Icbo数值增加一倍，而对于硅管温度每升高8℃，Icbo数值增大一倍，虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈，但由于锗管的Icbo值本身比硅管大，所以锗管仍然受温度影响较严重的管，
放大区
当晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时，Ic随Ib近似作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。
饱和区
当发射结和集电结均处于正偏状态时，Ic基本上不随Ib而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。
截止区和饱和区是三极管工作在开关状态的区域，三极管和导通时，工作点落在饱和区，三极管截止时，工作点落在截止区。
三极管输入输出特性曲线
电子工程专辑.?2017-04-0810:57
三极管特性曲线是反映三极管各电极电压和电流之间相互关系的曲线，是用来描述晶体三极管工作特性曲线，常用的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线。这里以下图所示的共发射极电路来分析三极管的特性曲线。
输入特性曲线
该曲线表示当e极与c极之间的电压Uec保持不变时，输入电流(即基极电流Ib)和输入电压(即基极与发射极间电压Ueb)之间的关系曲线，如右图所示:
从曲线中可看到，当Uec=0时，晶体三极管的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性相同，这是因为此时发射结和极电结都正向偏置，三极管相当于两个PN结的同向并。当Uec不等于0时，在同一Ueb下，Ib随Uec值增加而减小，这是因为有了Uec作用之后，原来的发射极流入基极的电流有一部分留到集电极去了。当Uec增加到1伏以后再继续增加，因发射极电流绝大部分已经流进集电极，Ib就不再减小了，所以图中的①②和③曲线基本上重合，通常Uec〉1伏时只用一根线来表示。
从图中可以看出，三极管在正常工作时，Ueb是很小的，仅有零点几伏。如果Ueb太大了会使Ib剧烈增加而损坏三极管，一般情况下，硅管发射结电压Ube在0.7伏左右，锗管发射结电压Ueb在0.3伏左右。
输出特性曲线
该曲线表示基极电流Ib一定时，三极管输出电压Uec与输出电流Ic之间的关系曲线，如下右图所示。图中的每条曲线表示，当固定一个Ib值时，调节Rc所测得的不同Uec下的Ic值。根据输出特性曲线，三极管的工作状态分为三个区域。
截止区:它包括Ib=0及Ib〈0(即Ib与原方向相反)的一组工作曲线。当Ib=0，Ic=Iceo(称为穿透电流)，在常温下此值很小。在此区域中，三极管的两个PN结均为反向偏置，即使Uec电压较高，管子中的电流Ic却很小，此时的管子相当于一个开关的开路状态。
饱和区:该区域中的电压Uec的数值很小，Ube〉Uec集电极电流Ic随Uec的增加而很快的增大。此时三极管的两个PN结均处于正向偏置，集电结失去了收集某区电子的能力，Ic不再受Ib控制。Uec对Ic控制作用很大，管子相当于一个开关的接通状态。
放大区:此区域中三极管的发射结正向偏置，而集电极反向偏置。当Uec超过某一电压后曲线基本上是平直的，这是因为当集电结电压增大后，原来流入基极的电流绝大部分被集电极拉走，所以Uec再继续增大时，电流Ic变化很小，另外，当Ib变化时，Ic即按比例的变化，也就是说，Ic受Ib的控制，并且Ic变化比Ib的变化大很多，△Ic和△Ib成正比，两者之间具有线性关系，因此此区域又称为线性区。在放大电路中，必须使用三极管工作在放大区。
由三极管的三种状态产生了三极管的两个应用场合:放大电路和开关电路。
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