《模電想說愛你不容易》之有源器件篇：三極管，電流控制型半導體器件

硬小妹：“李工，三極管和雙極型晶體管是一樣的嗎？”

油條李：“這就像人名一樣，一個是外號，一個是名字！”

硬小妹：“哦哦，那三極和雙極不就互相矛盾了嗎？”

油條李：“此三極非彼雙極也！”

1947年，第一個基于鍺半導體的具有放大功能的點接觸式晶體管問世，標志著人類從真空管時代進入了晶體管時代。晶體管的發(fā)明開啟了電子世界的大門，為集成電路的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)制造工藝和結(jié)構(gòu)的不同，晶體管可分為三大類：雙極型晶體管（BJT）、場效應晶體管（FET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。雙極型晶體管又稱為三極管，是我們常用的一種電子元器件，今天我們先來學習一下有關(guān)三極管的基礎(chǔ)知識和應用技巧吧。

一、三極管的分類

1、根據(jù)極性的不同三極管可分為：NPN型三極管和PNP型三極管；

2、根據(jù)材料的不同三極管可分為：硅三極管和鍺三極管；

3、根據(jù)工作頻率的不同三極管可分為：低頻三極管和高頻三極管；

4、根據(jù)功率的不同三極管可分為：小功率三極管、中功率三極管和大功率三極管；

5、根據(jù)封裝材料的不同三極管可分為：塑料封裝三極管和金屬封裝三極管；

6、根據(jù)封裝形式的不同三極管可分為：插件三極管和貼片三極管；

7、根據(jù)用途的不同三極管可分為：放大三極管、開關(guān)三極管和振蕩三極管等。

二、三極管的品牌

我們常用的三極管的品牌主要有以下幾種：

1、長電CJ

2、美臺DIODES

3、英飛凌Infineon

4、辰達行電子MDD

5、安世Nexperia

6、安森美ON

7、羅姆ROHM

8、時科SHIKUES

9、東芝TOSHIBA

10、友順UTC

隨著國內(nèi)半導體廠商的崛起，在中低端市場，國產(chǎn)品牌的三極管在價格和性能上具有一定的優(yōu)勢，逐漸取代了國外品牌，成為市場的主流選擇，但在高端市場，國外廠商仍占據(jù)領(lǐng)先地位，特別是在高頻、大功率等應用場景?，F(xiàn)如今，我們國家和企業(yè)已經(jīng)意識到自主研發(fā)的重要性，相信在不久的將來，三極管的高端應用場景我們也會占有一席之地。

三、三極管的結(jié)構(gòu)

三極管是在二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，一個二極管包含一個PN結(jié)，而一個三極管包含兩個PN結(jié)，這兩個PN結(jié)構(gòu)成兩種極性，三個管腳，這三個管腳分別稱為基極、集電極和發(fā)射極，如下圖所示：

圖源 | TOSHIBA官網(wǎng)

三極管是電流控制型半導體器件，由基極電流大小控制集電極電流大小。對于不同類型的三極管，其電流方向是不同的，對于NPN型三極管，其電流方向為從基極到發(fā)射極、從集電極到發(fā)射極；對于PNP型三極管，其電流方向為從發(fā)射極到基極、從發(fā)射極到集電極，可形象的記憶為三極管電路符號上的箭頭方向代表電流的方向。

由于三極管是電流敏感型器件，因此在實際電路應用當中，應特別注意基極電流的大小?；鶚O的限流電阻的阻值不能過大或者過小，應根據(jù)實際需求進行選擇，比如使用三極管驅(qū)動繼電器的電路當中，如果三極管基極串接電阻取值過大，則會造成繼電器無法動作的現(xiàn)象，此時串接電阻取值220歐姆至1K范圍較為合適。

四、三極管的常用參數(shù)

三極管的參數(shù)可分為三類：直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，不同參數(shù)表征的是三極管在不同條件下的特性。

1、直流參數(shù)。

（1）直流放大倍數(shù)h_FE。該參數(shù)表征的是在共發(fā)射極電路中，沒有交流電流輸入時，集電極電流與基極電流的比值，即h_FE = I_C / I_B。以長電NPN型三極管型號S8050為例，其直流增益和集電極電流的關(guān)系曲線如下圖所示：

圖源 |長電官網(wǎng)

從上圖可以看出，三極管的直流增益參數(shù)并不是固定的，而是隨著環(huán)境溫度、集電極電流的大小的變化而變化，因此，在產(chǎn)品電路設(shè)計當中應充分考慮環(huán)境溫度、集電極電流的大小對直流增益的影響，預留一定的余量，避免極端條件下造成產(chǎn)品功能的異常。

（2）集電極-基極反向截止電流I_CBO。該參數(shù)表征的是三極管在發(fā)射極開路時，集電極和基極之間加上一定的反向偏置電壓，此時的集電極電流稱為集電極-基極反向截止電流，該參數(shù)越小越好，一般為uA級別。

（3）集電極-發(fā)射極反向截止電流I_CEO。該參數(shù)又稱為穿透電流，表征的是三極管在基極開路時，集電極和發(fā)射極之間加上一定的反向偏置電壓，此時流過集電極和發(fā)射極的電流稱為集電極-發(fā)射極反向截止電流，該參數(shù)越小越好，一般為uA級別。

（4）發(fā)射極-基極反向截止電流I_EBO。該參數(shù)表征的是三極管是集電極開路時，發(fā)射極和基極之間加上一定的反向偏置電壓，此時流過發(fā)射極和基極之間的電流稱為發(fā)射極-基極反向截止電流，該參數(shù)越小越好，一般為uA級別。

（5）集電極-發(fā)射極飽和電壓V_CEsat。該參數(shù)表征的是流過三極管集電極最大電流時，集電極和發(fā)射極之間的電壓大小。以長電NPN型三極管型號S8050為例，其集電極-發(fā)射極飽和電壓與集電極電流之間的關(guān)系曲線如下圖所示：

圖源 |長電官網(wǎng)

從上圖可以看出，集電極-發(fā)射極飽和電壓是隨著集電極電流的增大而增大的，且環(huán)境溫度對其有一定的影響。該參數(shù)越小越好。

（6）基極-發(fā)射極飽和電壓V_BEsat。該參數(shù)表征的是流過三極管集電極最大電流時，基極和發(fā)射極之間的電壓大小。以長電NPN型三極管型號S8050為例，其基極-發(fā)射極飽和電壓與集電極電流之間的關(guān)系曲線如下圖所示：

圖源 |長電官網(wǎng)

從上圖可以看出，基極-發(fā)射極飽和電壓是隨著集電極電流的增大而增大的，且環(huán)境溫度對其有一定的影響。該參數(shù)越小越好。

2、交流參數(shù)

（1）交流放大倍數(shù)β。該參數(shù)表征的是在共發(fā)射極電路中，基極輸入交流電流信號時，集電極電流的變化量ΔI_C與基極電流變化量ΔI_B的比值，即β =ΔI_{C / ΔIB}。在三極管的數(shù)據(jù)手冊當中，一般給出的是直流放大倍數(shù)h_FE而不是交流放大倍數(shù)β，這是因為三極管的交流放大倍數(shù)的大小近似于直流放大倍數(shù)，因此在實際計算過程中二者取值可以相同。

（2）特征頻率f_T。該參數(shù)表征的是三極管交流放大倍數(shù)β下降到1時的基極輸入信號的頻率，此時三極管已無放大作用。三極管的特征頻率相當于其帶寬，在實際應用當中基極輸入信號的頻率與信號放大倍數(shù)的乘積應小于三極管的特征頻率。以長電NPN型三極管型號S8050為例，其特征頻率與集電極電流之間的關(guān)系曲線如下圖所示：

圖源 |長電官網(wǎng)

從上圖中可以看出，三極管的特征頻率并不是固定不變的，而是隨著集電極電流的變化而變化的。三極管的特征頻率一般都是比較高的，超過100Mhz，對于低頻信號的放大電路可不用特別關(guān)注該參數(shù)，但對于大于1Mhz的信號放大電路時則需要特別關(guān)注該參數(shù)，否則易造成信號的失真等異?，F(xiàn)象。

三極管的交流參數(shù)除了交流放大倍數(shù)和特征頻率外，還包括噪聲系數(shù)、等效噪聲電壓、輸入電容、輸出電容等參數(shù)，這些參數(shù)在一些特殊應用場景當中需要特別關(guān)注。

3、極限參數(shù)

（1）集電極-基極擊穿電壓V_CBO。該參數(shù)表征的是三極管發(fā)射極開路時，集電極和基極之間能夠承受的最大電壓值。以長電NPN型三極管型號S8050為例，其集電極-基極擊穿電壓為40V。

（2）集電極-發(fā)射極擊穿電壓V_CEO。該參數(shù)表征的是三極管基極開路時，集電極和發(fā)射極之間能夠承受的最大電壓值。以長電NPN型三極管型號S8050為例，其集電極-發(fā)射極擊穿電壓為25V。

（3）發(fā)射極-基極擊穿電壓V_EBO。該參數(shù)表征的是三極管集電極開路時，發(fā)射極和基極之間能夠承受的最大電壓值。以長電NPN型三極管型號S8050為例，其發(fā)射極-基極擊穿電壓為5V。

（4）集電極最大允許電流I_C。該參數(shù)表征的是三極管集電極能夠承受的最大電流值，超過該參數(shù)值易損壞三極管。以長電NPN型三極管型號S8050為例，其集電極最大允許電流為500mA。

（5）集電極最大允許耗散功率P_C。該參數(shù)表征的是三極管因發(fā)熱而引起的參數(shù)變化在規(guī)定的范圍之內(nèi)時，集電極消耗的最大功率。以長電NPN型三極管型號S8050為例，其集電極最大允許耗散功率為300mW，其集電極最大允許耗散功率與環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線如下圖所示：

圖源 |長電官網(wǎng)

從上圖中可以看出，三極管集電極最大允許耗散功率是在環(huán)境溫度25攝氏度時測定的，隨著環(huán)境溫度的升高，該參數(shù)是逐漸降低的，因此在大電流或者高溫環(huán)境等應用場景，應充分考慮三極管的散熱問題。

五、三極管的應用

三極管有三種工作狀態(tài)：截止狀態(tài)、放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)，下面以NPN型三極管為例，簡要說明一下這三種狀態(tài)。

1、截止狀態(tài)。此狀態(tài)下三極管不工作，集電極電流為零，集電極電阻上的電壓降為零，集電極電壓等于三極管直流工作電壓。

2、放大狀態(tài)。此狀態(tài)下三極管具有電流放大功能，集電極電流增大時集電極電壓降低；集電極電流減小時集電極電壓升高。此狀態(tài)下三極管集電極電壓大于基極電壓，基極電壓大于發(fā)射極電壓。

3、飽和狀態(tài)。此狀態(tài)下三極管沒有電流放大能力，處于飽和導通狀態(tài)，基極電壓大于集電極電壓和發(fā)射極電壓，且基極和發(fā)射極之間的電壓為固定值，一般為0.2V左右。

三極管的應用電路都是基于其三種工作狀態(tài)而設(shè)計的，常見的三極管的應用主要有以下幾種類型：

1、反向電路。三極管工作在截止狀態(tài)和飽和狀態(tài)時，基極電壓和集電極電壓互為反向，利用該特性可對信號進行反向處理：基極輸入信號為低電平時，集電極輸出信號為高電平；基極輸入信號為高電平時，集電極輸出信號為低電平。

2、開關(guān)電路。利用三極管截止和飽和狀態(tài)的特性，使用三極管和MOS管組合成電子開關(guān)電路，用來控制電源的通斷，同時也能夠達到低電壓控制高電壓的目的。

3、放大電路。利用三極管放大狀態(tài)的特性，可以組成放大電路，常見的三極管放大電路有共集電極放大電路、共發(fā)射極放大電路和共基極放大電路，這三種放大電路各有特點，使用時根據(jù)需要進行選擇。

4、振蕩電路。使用三極管、電阻、電容可以組成不同類型的振蕩電路，產(chǎn)生不同類型、頻率的波形，比如正弦波、方波。

5、恒壓電路。當三極管基極電壓不變時，其集電極輸出電壓也保持不變，利用此特性可以組成恒壓源電路，比如我們常見的LDO芯片，就是根據(jù)此原理制造而成的。

6、恒流電路。當三極管基極電流不變時，其集電極電流也保持不變，利用此特性可以組成恒流源電路。

7、驅(qū)動電路。三極管集電極電流較大，可以用來驅(qū)動一些大電流的負載，比如蜂鳴器、繼電器、LED燈等等。

隨著晶體管的發(fā)展，出現(xiàn)了內(nèi)置偏置電阻的晶體管BRT，此種類型的晶體管相比雙極型晶體管BJT具有穩(wěn)定、抗噪聲、節(jié)省PCB空間的優(yōu)點，如下圖所示：

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三極管作為電子電路中常用的元器件，其特性具有非線性，受到多種因素的影響，是我們學習模電的一大難點，同時也是模電入門的必經(jīng)之路。模電的世界龐雜多變，一不小心可能就會迷失自我，唯有堅持本心，直面困難，方可撥云見日！

“遇到什么困難也不要怕，微笑著面對它，消除恐懼的最好辦法就是面對恐懼，堅持就是勝利，奧利給！”