标签: 三极管

想讨论一个有意思的话题: 今天中国大陆的电子业界, 为何将 BJT 称呼为 "三极管"? 或因其象形, 前辈自行进行随意的不严谨定义么? 带着疑问我们做了一下延伸查阅, 或得出这样的结论, 即中译名"三极管"或从 真空管时代进行沿用, 并未加更改 . 或可推测, 我们对 BJT 沿用了真空时代的"三极管"之术语. 而严格上说, 该"三极管"术语似未区分以下两种电子器件: (真空)三极管, 与 BJT(双极型结型晶体管). 真空管时代 : (1) (真空)三极管("triode valve" 或 "vacuum triode" 或 "triode vacuum tube") : 真空三极管的发明专利应源于美国人 de Forest 于 1906 的申请(毕业后因发明爱好而清贫的大学生发明狂). 他因某种错误的认知(真空管内电离气体也是一个电极), 而将装置称为: "audion"(ion-离子). 彼时业界或最终形成习惯约定: "triode valve"(三极管). P.S. 通过阅读, 马可尼(无线电报发明者意大利人)访美演讲时, de Forest 或挤到他身边询问检波装置的方向, 或得到马可尼的激励, 转向电子管研究. 延伸阅读的电子技术发展史文章说,清贫的 de Forest 四处推销其真空三极管专利寻找投资, 常因衣衫褴褛被公司门卫驱赶. 并最终因其企图诈骗而被告上法庭, 法庭上 de Forest 强烈申述, 指出其发明之愿景. 今天来看, 他的宣称实在太保守, 他的三极管装置发明, 其实是人类电子信息产业迈出最重要的步伐其中之一. (2) 而 "triode valve"(三极管)中的 "valve", 又或从 Fleming 发明的真空二极管(发明专利 Fleming valve / vacuum diode) 的名称延续. (3) 即"三极管" 或具体指代: 兴盛于1920年代(真空管时代)的"(真空)三极管". 晶体管时代 : (1) Shockley 发明 BJT/PN结的大时代, 大致起始点约1950年. 推测中国大陆科技界彼时或未能即时同步该前沿, 前辈或对 BJT 沿用了真空管时代的"三极管"称呼(transistor"晶体管"称谓又或另一个故事). (2) 由于真空管时代已经远离, "三极管"最终被默认指代 BJT. 讨论: 那么今天如需与 audion 或 triode valve 区别, 也许我们得加上抬头, 称其为: "(真空)三极管"? ------------------------------------------ P.S. 在完成了该博文后, 在网络无意识进行一些延伸阅读, 突然随意浏览读到了这么一段: 以下斜体字表引用: BJT的全称是 双极性结型晶体管 （Bipolar Junction Transistor），国内俗称三极管。其实，在英语中， 三极管 （triode）特指以前的真空电子管形式的三极管，而不是我们现在普遍使用的半导体三极管。“tri-”的意思是“三”，“ode”的意思是“极”，当年的电子管一般都封装在一个圆柱形的真空玻璃管中，所以中文翻译在后面加了个“管”。 这, 与我们的博文观点似可以比较: (1) 关于 "triode", 与我们在博文中的讨论相同: triode 是真空管时代, 特指真空三极管. (2) 关于 "管", 似可以补充下: 即使在 E 文专业世界中, 也有 triode vacuum tube 的说法, 直译即 "管".

三极管和MOS管下拉电阻的作用 三极管属于电流型驱动元器件，因此一般在基极都会串一个限流电阻，一般小于等于10K，但是在基极为什么会下拉一个电阻呢？举例说明。如下图，是温度开关控制马达电路图。 简单讲解一下三极管，如果三极管工作在饱和区（完全导通），Rce≈0，Vce≈0.3V，且这个0.3V，我们就认为它直接接地了。那么就需要让Ib大于等于1mA，若Ib=1mA, Ic=100mA，它的放大倍数β=100，三极管完全导通。如下图，是一个NPN三极管。 三极管属于电流型驱动元器件，因此一般在基极都会串一个限流 电阻 ，一般小于等于10K，但是在基极为什么会下拉一个电阻呢？举例说明。如下图，是温度开关控制马达电路图。 如图是温度开关控制马达转和停，温度开关相当于一个按键开关。在B极串个开关，N管就能够做个开关管使用。图中马达是一个直流有刷马达，只要正极接通12V，负极接地，马达就开始转。 当温度开关导通，回路I流过的电流的为 三极管CE完全导通，Vce ? 0.3V，这时候，马达两端的电压压降接近 12V,它就能够转动，因为三极管be的导通后阻抗远远小于2K电阻R2，所以电流大部分流过三极管；当温度开关断开，ib 就没有电流，ic 也没有电流。 由于温度开关在关断的瞬间，三级管ib、ic上的电流并不能够一下子降到零，而是慢慢降到零，这是制造工艺必然存在的，在这段时间，三极管是工作在放大区，是容易受到干扰。因此需要接个下拉电阻R2，这个电阻一是给三极管提供了个放电回路，二是为点A提供一个能量分散的通路。 放电回路怎么理解？ 如下图三极管寄生 电容 ，三极管实际工艺制造模型，三极管BE、BC、CE之间分别有电容C1、C2、C3。这三个电容的存在一方面是我们不需要的，另一方面，又是工艺中无法避免克服的，是制造工艺过程中必然存在的现象。我们把这种电容一般称之为杂散电容，或者说是寄生电容。 由于有电容的存在，三极管势必有延时。当ib没有电流时，电容C1开始放电，形成回路I，这个时候B点的电压从0.7V降到0V，工作在放大区，容易受到干扰，在C1两端加个电阻R2，电容上的电一部分就会从电阻R2上释放掉，并且电阻阻值越小，电容放电越快。因此，电阻R2给电容提供了一个通路释放电荷，大大减短了三极管工作在放大区的时间。 给能量提供一个分散通路怎么理解? 为什么说电阻 R2 为点A提供了一个能量分散通路。如图2所示，温度开关断开时，此时点A是悬空的，A点电压不确定，为高阻态（阻抗无穷大），容易出现误导通的现象，而且也容易受到周围环境干扰，比如静电、雷击等使器件损坏。买电子元器件现货上唯样商城 当使用环境出现雷击，高压静电等情况，在点A下拉一个电阻接到地，大部分电流就会顺着电阻流入地，给能量提供一个分散通路。如果没有接这个电阻，当发生雷击时，由于A点左边阻抗无穷大，A点右边接三极管，阻抗相对左边来说是很低的，因此电流会全部往阻抗低的方向跑，流入三极管，造成电流过大，使器件性损坏。 关于MOS管 由于篇幅限制，关于MOS管基础知识，移步此处：MOS管基本认识。 下拉电阻的作用有两个： 防止在静电作用下，电荷没有释放回路，容易引起静电击穿 MOS管在开关状态工作时，就是不断的给Cgs充放电，当断开电源时，Cgs内部可能储存有一部分电荷，但是没有释放回路，MOS管栅极电场仍然存在且能保持很长时间，建立导电沟道的条件没有消失。在下次开机时，在导电沟道的作用下，MOS管立即产生不受控的巨大漏极电流Id，引起MOS管烧坏。

问题1：什么是三极管？ 三极管，也叫晶体管，是一种控制电流的半导体器件。 这里的“控制电流”多指放大电流信号。 除了放大电流，三极管还常用作开关。 实物长这样： 三极管 三极管电路符号 问题2：三极管在电路中的作用是什么？ 主要两种作用：模拟电路主要用于放大信号，数字电路主要用于无触点开关。 问题3：三极管的内部结构是怎么样的？ 二极管PN结，我想大家应该熟悉： PN结 三极管可以看作由两个PN结组成，有两种组合方式：PN-NP，形成PNP三极管；NP-PN，形成NPN三极管。无论是NPN三极管还是PNP三极管，都会有三个极：基极（b）、集电极（c）、发射极（e）。 值得一提的是，三极管里的P型和N型半导体掺杂浓度是不一样的（划重点！后面要考）。比如NPN三极管，其e极连接的发射区是高浓度N型半导体，b极连接的基区是正常浓度的P型半导体，c极连接的集电区是正常浓度的N型半导体。 NPN三极管内部结构横截图 问题4：命名b极、c极、e极，有什么特殊含义吗？ 三极管极脚的命名，体现了三极管工作时的电子运动状态。 发射极（e）：Emitter，发射的意思，指发射区向基区发射电子； 基极（b）：Base，基地的意思，在基区中电子会发生扩散与复合运动； 集电极（c）：Collector，收集的意思，指集电区收集电子。 问题5：PNP型与NPN型的区别是什么？ ①.结构不同：PNP型三极管是由2块P型半导体中间夹着1块N型半导体所组成的三极管；NPN型三极管是由2块N型半导体中间夹着1块P型半导体所组成的三极管。 ②.PN结方向不同：PNP是共阴极，即两个PN结的N结相连做为基极；NPN则刚好于此相反。 ③.两者的电源极性不同。 PNP型三极管与NPN型三极管更多的是结构不同，但两者的工作原理是一样。 问题6：三极管的工作原理是什么？ 如上所述，从结构上来看，三极管可以看作由两个PN结组成。e极和b极间的PN结，我们叫发射结，c极和b极间的PN结叫集电结。当PN结正偏时，电路导通；反偏时，电路不导通。所以三极管的工作状态与其发射结、集电结的偏置状态息息相关。 当我们给三极管加上电源，三极管就会进入工作状态。 三极管有三种工作状态；截止、放大、饱和。 截止：发射结反偏、集电结反偏 对于硅管来说，PN结的导通电压是0.7V。 Ube，集电结反偏，三极管工作在截止状态。 放大：发射结正偏、集电结反偏 Ube，集电结反偏。Ic=β * Ib，其中β正常情况下在几十到100多的范围内。Ib控制Ic，Ic与Ib近似于线性关系，在基极加上一个小信号电流，就能引起集电极大的信号电流输出。 饱和：发射结正偏、集电结正偏 UBE=0.7V，发射结正偏；Uce

半导体起源 一切由电子开始谈起 。电子元件本来就是一项专精的电子物理学，利用材质以及结构上的特性，对电形成不同的反应。 例如，利用两片紧贴但不接触的金属 薄板，就可以形成电容； 将铜线以绝缘漆封装形成漆包线，将漆包线卷起来就形成电感、加入铁芯则成为变压器、并接在一起就是李玆线。 利用以硅为主的材质，经过适当的制程，就可以变成半导体如二极体、电晶体以及IC集成电路等； 还有其他诸多电子元件，其实都是架构在基础物理现象上的精巧设计。 金属之所以能导电，就是因为金属的自由电子较多，便于电子的相互流动，因此电子材料必须由导电性佳的材质制成。电子还有个特性，带负电的电子容易受到正电压的吸引，所谓同性相斥、异性 相吸。又从爱迪生效应中得知，当加热金属物质时，活跃于质子外围的自由电子容易产生游离现象，温度高导致电子活性增强，此时若空间中有一正电压强力吸引，游离的电子就会在空间中流动。基于这几个当时已被了解的知识，佛来明（J.A. Fleming）于1904年制造出第一支二极真空管， 李·德弗雷斯特 （De Forest Lee）将二极管加以改良，于1907年制造出第一支三极管，既然成功研发了三极管，真空管的应用开始实现， 三极管是最基本的真空管. 使得收音机、电视机等消费类电子产品成为可能, 真空管的发展从此一日千里。 真空三极管还是世界上第一台电子计算机的大脑，一台占地近140㎡，重达30吨的大家伙，使用了近19000个真空管以及数千个电阻及电容器。 真空三极管是由一个栅极和两个被栅极分开的电极，在玻璃密封的空间中构成的，密封空间内部是真空，一方面防止部件烧毁一方面易于电子的自由移动。其有两大功能即开关和放大，开关指接通和切断电流，放大指电流或小信号放大，并保持信号原有的特征功能。但是有一系列的缺点，如体积大，连接处易于松动，并且寿命较短，老化速度较快。这一系列的缺点导致其必然要发展或者是被替代. 1949年，贝尔实验室的John Bardeen(约翰·巴丁)、Walter Brattin(沃尔特·布拉顿)、William Shockley(威廉·肖克利)三人发明了 半导体材料锗制成的电子放大器 ,也就是第一代晶体管(这三位科学家也因此获得了1956年诺贝尔物理奖)，晶体管最初叫“传输电阻器”，后来才更名为晶体管(Transistor)。这种晶体管包括真空管的功能，同时是固态的，没有真空，体积小、质量轻、耗电低并且寿命长的优点。从此便进入了“固态时代”，也就是目前我们见的最多的。 从第一个晶体管发展到我们现在的许多电力电子器件，使得电力电子技术得到了飞跃的发展，这些器件我们一般统称为分立器件，即每个芯片只含有一个元件。 而半导体相关的另一个器件，我们之前并没有提及过的，即集成电路。集成电路(Integrated circuit)是一种微型电子器件 采用一定工艺，在一块半导体基材上将一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起，然后封装在管壳儿内，形成具有所需电路功能的微型结构。 第一个集成电路是由德州仪器的Jack Kilby(杰克·基尔比)发明，但是其并不是现今集成电路的形式。 其最初使用的是单独的线连接起来的，而早些时候仙童照相机的Jean Horni(吉恩·霍尼)已经开发出了一种在芯片表面上形成电子结来制作晶体管的平面制造工艺，即利用硅易于形成绝缘体氧化硅的优点。 而后Robert Noyce(罗伯特·诺伊斯)应用这种技术把预先在硅表面上形成的分立器件连接起来，最终形成了所有集成电路所使用的模式。 从1949年开始，半导体行业就已经开始在工艺上进行提高和发展，时至今日也依旧还在不断的发展。工艺的改进可以归结于两类：工艺和结构。 工艺的改进：以更小尺寸来制造器件和电路，使其具有更高的密度，更多的数量和更高的可靠性。 结构的改进：在新器件设计上的发明使其性能更好，实现更佳的能耗控制和更高的可靠性。 这两种改进带来的效果，我们从IGBT几代的发展历程可以很好的体会，当然我们之前提到的很多因素，比如设备过程中的一些缺陷等等都可以归结于工艺的改进。 集成电路中器件的尺寸和数量是IC发展的两个共同标志。器件的尺寸是以设计中的最小尺寸来表示的，我们称之为特征图形尺寸。 从小规模集成电路发展到今天的百万芯片，得益于其中单个元件的特征图形尺寸的减小，这得益于光刻机图形化工艺和多层连线技术的极大提高。 这一点在如今讨论的也是比较多的，比如22nm芯片，10nm甚至7nm等等。更专业的表述是栅条宽度，即我们控制部分栅极的宽度，更小更快的晶体管以及更高密度的电路，得益于更小的栅条宽度。 说到这里不得不提到前段时间经常看到的词汇--“摩尔定律”，英特尔的创始人之一Gordon Moore(戈登·摩尔)在1965年预言的 芯片上的晶体管数量会以每18个月翻一番的速度增长，经过多年实际验证这一速度较为准确，也成为预测未来芯片上晶体管密度的依据。 按照电路中器件的数量，即集成度水平，我们可以分为几个等级： 小规模集成(SSI)：2~50个/chip； 中规模集成(MSI):50~5000个/chip； 大规模集成(LSI):5000~100000个/chip； 超大规模集成(VLSI):100000~1000000个/chip； 甚大规模集成(ULSI):＞1000000个/chip。 摩尔定律并不是随着时间无限制地发展的，主要受限于半导体材料和制备的限制，所以会听到半导体材料硅快到极限的消息，故而需要发展新的材料和不停地提升设备和设计。 我们都知道，芯片是在称为晶圆(wafer)的薄硅片或者其他半导体材料薄片上制成的。在圆形wafer上制造矩形的芯片，导致了在wafer的边缘处剩余了一些不可用区域。 当芯片尺寸较大时，这些不可用区域也会随之较大，所以逐渐采用更大尺寸的wafer，这也就变相地“减小”了芯片的尺寸，也使得生产效率和产量得到一定的提升，这是为什么从6英寸到8英寸再到现在12英寸晶圆的原因之一。 现在的芯片尺寸越做越小，成本越来越低，性能越来越高，这得益于以上我们说到的工艺改进、设备的发展。 就目前而言，生产厂商的类型大概有三类： 集成器件制造商(IDM)：集设计、制造、封装和销售为一体； 代工厂(Foundry):其他芯片供应商制造芯片； 无加工厂(Fabless):只负责芯片设计和销售，其他环节大多外包。 参考文献: 1, 真空管_百度百科 (baidu.com) 2, 科普：半导体的起源 - 知乎 (zhihu.com)

​ 转载-- 硬件十万个为什么 2017-12-07 22:24 三极管是最重要的电子元器件之一，成功制作世界上第一只半导体三极管的美国物理学家约翰·巴丁(John Bardeen)和他的同事布拉顿（Brattain）并获得了诺贝尔物理学奖。三极管的看家本领，是可以以小电流控制大电流，颇似武侠中的四两拨千斤。 下图是2种类型的三极管NPN和PNP的结构和电路图符号示意。 ​ positive 正极 negative 负极 很多初学者都会认为三极管是两个 PN 结的简单凑合。这种想法是错误的，两个二极管的组合不能形成一个三极管。我们以 NPN 型三极管为例（见图 2 ），两个 PN 结共用了一个 P 区 —— 基区，基区做得极薄，只有几微米到几十微米，正是靠着它把两个 PN 结有机地结合成一个不可分割的整体，它们之间存在着相互联系和相互影响，使三极管完全不同于两个单独的 PN 结的特性。三极管在外加电压的作用下，形成基极电流、集电极电流和发射极电流，成为电流放大器件。 、三极管的电流放大作用与其物理结构有关，三极管内部进行的物理过程是十分复杂的，初学者暂时不必去深入探讨。从应用的角度来讲，可以把三极管看作是一个电流分配器。一个三极管制成后，它的三个电流之间的比例关系就大体上确定了（见图 3 ），用式子来表示就是 ​ β 和 α 称为三极管的电流分配系数，其中 β 值大家比较熟悉，都管它叫电流放大系数。三个电流中，有一个电流发生变化，另外两个电流也会随着按比例地变化。例如，基极电流的变化量 ΔI b ＝ 10 μA ， β ＝ 50 ，根据 ΔI c ＝ βΔI b 的关系式，集电极电流的变化量 ΔI c ＝ 50×10 ＝ 500μA ，实现了电流放大。 三极管自身并不能把小电流变成大电流，它仅仅起着一种控制作用，控制着电路里的电源，按确定的比例向三极管提供 I b 、 I c 和 I e 这三个电流。为了容易理解，我们还是用水流比喻电流（见图 4 ）。这是粗、细两根水管，粗的管子内装有闸门，这个闸门是由细的管子中的水量控制着它的开启程度。如果细管子中没有水流，粗管子中的闸门就会关闭。注入细管子中的水量越大，闸门就开得越大，相应地流过粗管子的水就越多，这就体现出“以小控制大，以弱控制强”的道理。由图可见，细管子的水与粗管子的水在下端汇合在一根管子中。三极管的基极 b 、集电极 c 和发射极 e 就对应着图 4 中的细管、粗管和粗细交汇的管子。电路见图 5 ，若给三极管外加一定的电压，就会产生电流 I b 、 I c 和 I e 。调节电位器 RP 改变基极电流 I b ， I c 也随之变化。由于 I c ＝ βI b ，所以很小的 I b 控制着比它大 β 倍的 I c 。 I c 不是由三极管产生的，是由电源 VCC 在 I b 的控制下提供的，所以说三极管起着能量转换作用。 ​ ​ 如图，假设三极管的β=100，RP=200K，此时的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic=βI b=2mA 当RP=0时，Ib=6v/100k=0.06mA，Ic=βI b=2mA。以上两种状态都符合Ic=βI b，我们说，三极管处于"放大区"。假设RP=0,Rb=1k,此时，Ib=6v/1k=6mA按Ic=βI b计算，Ic应等于600mA，而实际上，由于图中300欧姆限流电阻（Rc）的存在，实际上Ic=(6v/300)≈20mA,此时，Ic≠βI b，而且，Ic不再受Ib控制，即处于"饱和区"，当RP和Rb大到一定程度，使Ube<死区电压(硅管约0.5V，锗管约0.3）此时be结处于不导通状态，Ib=0，则Ic=0，处于"截止区"。 ​ 单纯从“放大”的角度来看，我们希望 β 值越大越好。可是，三极管接成共发射极放大电路（图 6 ）时， 从管子的集电极 c 到发射极 e 总会产生一有害的漏电流，称为 穿透电流 I ceo ，它的大小与 β 值近似成正比 ， β 值越大， I ceo 就越大。 I ceo 这种寄生电流不受 I b 控制，却成为集电极电流 I c 的一部分， I c ＝ βI b ＋ I ceo 。值得注意的是， I ceo 跟温度有密切的关系，温度升高， I ceo 急剧变大，破坏了放大电路工作的稳定性。所以， 选择三极管时，并不是 β 越大越好 ，一般建议取硅管 β 为 40 ～150 ，锗管取 40 ～ 80 。 ​ 在常温下，锗管的穿透电流比较大，一般由几十微安到几百微安，硅管的穿透电流就比较小，一般只有零点几微安到几微安。 I ceo 虽然不大，却与温度有着密切的关系，它们遵循着所谓的“加倍规则”，这就是温度每升高 10℃ ， I ceo 约增大一倍。 例如，某锗管在常温 20℃ 时， I ceo 为 20μA ，在使用中管芯温度上升到 50℃ ， I ceo 就增大到 160μA 左右。测量 I ceo 的电路很简单（图 7 ），三极管的基极开路，在集电极与发射极之间接入电源 V CC （ 6V ），串联在电路中的电流表（可用万用表中的 0.1mA 挡）所指示的电流值就是 I ceo 。 ​ 严格地说，三极管的 β 值不是一个不变的常数。在实际使用中，调整三极管的集电极电流 I ， β 值会随着发生变化（图 8 ）。一般说来，在 I c 很小（例如几十微安）或很大（即接近集电极最大允电流 I CM ）时， β 值都比较小，在 1mA 以上相当宽的范围内，小功率管的 β 值都比较大，所以，同学们在调试放大电路时，要确定合适的工作电流 I c ，以获得最佳放大状态。另外， β 值也和三极管的其它参数一样，跟温度有密切的关系。温度升高， β 值相应变大。一般温度每升高 1℃ ， β 值增加 0.5 ％～ 1 ％。 ​ ​ 器件为BC847 温度为-20℃时，Ic等于3.745mA, 温度为50℃时，Ic等于5.897mA。 从-20℃变到50℃ ß变化=（5.897mA-3.745mA)/3.745mA=57.46%。 ß呈线性变化 变化率=57.46%/70℃=0.821%/℃。 换用40239时，ß变化为67.24%。 ​ 温度为-20℃时，IB等于9.27uA,温度为50℃时 IB等于10.4uA。 从-20℃变到50℃ IB变化=（10.4uA-9.27uA)/9.27uA=12.19%。 IB呈线性变化 IB变化率=12.19%/70℃=0.174%/℃。 三极管有一个极限参数叫集电极最大允许电流，用 I CM 表示。 I CM 常称为三极管的额定电流，所以人们常常误认为超过了 I CM 值，由于过热会把管子烧坏。实际上，规定 I CM 值是为避免集电极电流太大时引起 β 值下降过多。一般把 β 值降低到它的最大值一半左右时的集电极电流定为集电极最大允许电流 I CM 。 ​ 三极管的电流放大系数 β 值还与电路的工作频率有关。在一定的频率范围内，可以认为 β 值是不随频率变化的（图 9 ），可是当频率升高到超过某一数值后， β 值就会明显下降。为了保证三极管在高频时仍然具有足够的放大能力，人们规定：当频率升高到使 β 值下降到低频（ 1000Hz ）值 β 0 的 0.707 倍时，所对应的频率称为 β 截止频率，用 f β 表示。 f β 就是三极管接成共发射极电路时所允许的最高工作频率。 三极管 β 截止频率 f β 是在三极管接成共发射极放大电路时测定的。如果三极管接成共基极电路，随着频率的升高，其电流放大系数 α （ α ＝ I c ／ I e ）值下降到低频（ 1000Hz ）值 α o 的 0.707 倍时，所对应的频率称为 α 截止频率，用 f α 表示（图 10 ）。 f α 反映了三极管共基极运用时的频率限制。在三极管产品系列中，常根据 f α 的大小划分低频管和高频管。国家规定， f α ＜ 3MHz 的为低频管， f α ＞ 3MHz 的为高频管。 ​ 当频率高于 f β 值后，继续升高频率， β 值将随之下降，直到 β ＝ 1 ，三极管就失去了放大能力。为此，人们规定：在高频条件下， β ＝ 1 时所对应的频率，称为特征频率，用 f T 表示。 f T 常作为标志三极管频率特性好坏的重要参数。在选择三极管时，应使管子的特征频率 f T 比实际工作频率高出 3 ～ 5 倍。 f α 与 f β 的物理意义是相同的，仅仅是放大电路连接方式不同。理论分析和实验都可以证明，同一只三极管的 f β 值远比 f α 值要小，它们之间的关系为f β ＝（ 1 － α ） f α 这就说明了共发射极电路的极限工作频率比共基极电路低得多。所以，高频放大和振荡电路大多采用共基极连接。 先讲二极管 要想很自然地说明问题，就要选择恰当地切入点。讲三极管的原理我们从二极管的原理入手讲起。二极管的结构与原理都很简单，内部一个PN结具有单向导电性，如示意图B。很明显图示二极管处于反偏状态，PN结截止。我们要特别注意这里的截止状态，实际上PN结截止时，总是会有很小的漏电流存在，也就是说PN结总是存在着反向关不断的现象，PN结的单向导电性并不是百分之百。 ​ 为什么会出现这种现象呢？这主要是因为P区除了因“掺杂”而产生的多数载流子“空穴”之外，还总是会有极少数的本征载流子“电子”出现。N区也是一样，除了多数载流子电子之外，也会有极少数的载流子空穴存在。PN结反偏时，能够正向导电的多数载流子被拉向电源，使PN结变厚，多数载流子不能再通过PN结承担起载流导电的功能。所以，此时漏电流的形成主要靠的是少数载流子，是少数载流子在起导电作用。反偏时，少数载流子在电源的作用下能够很容易地反向穿过PN结形成漏电流。漏电流只所以很小，是因为少数载流子的数量太少。很明显，此时漏电流的大小主要取决于少数载流子的数量。如果要想人为地增加漏电流，只要想办法增加反偏时少数载流子的数量即可。所以，如图B，如果能够在P区或N区人为地增加少数载流子的数量，很自然的漏电流就会人为地增加。其实，光敏二极管的原理就是如此。光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性。因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，如图所示。当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1×10-8 —1×10 -9A(称为暗电流)，此时相当于光敏二极管截止；当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子—空穴对，这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成电功能转换的。 ​ 光敏二极管工作在反偏状态，因为光照可以增加少数载流子的数量，因而光照就会导致反向漏电流的改变，人们就是利用这样的道理制作出了光敏二极管。既然此时漏电流的增加是人为的，那么漏电流的增加部分也就很容易能够实现人为地控制。 强调一个结论： 讲到这里，一定要重点地说明PN结正、反偏时，多数载流子和少数载流子所充当的角色及其性质。正偏时是多数载流子载流导电，反偏时是少数载流子载流导电。所以，正偏电流大，反偏电流小，PN结显示出单向电性。特别是要重点说明，反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的，甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。为什么呢？大家知道PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场，而内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向通过，所以，多数载流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用，需要约0.7伏的外加电压，这是PN结正向导通的门电压。而反偏时，内电场在电源作用下会被加强也就是PN结加厚，少数载流子反向通过PN结时，内电场作用方向和少数载流子通过PN结的方向一致，也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有阻碍作用，甚至还会有帮助作用。这就导致了以上我们所说的结论：反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的，甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。这个结论可以很好解释前面提到的“问题2”，也就是教材后续内容要讲到的三极管的饱和状态。三极管在饱和状态下，集电极电位很低甚至会接近或稍低于基极电位，集电结处于零偏置，但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic产生。 自然过渡： 继续讨论图B，PN结的反偏状态。利用光照控制少数载流子的产生数量就可以实现人为地控制漏电流的大小。既然如此，人们自然也会想到能否把控制的方法改变一下，不用光照而是用电注入的方法来增加N区或者是P区少数载流子的数量，从而实现对PN结的漏电流的控制。也就是不用“光”的方法，而是用“电”的方法来实现对电流的控制（注2）。接下来重点讨论P区，P区的少数载流子是电子，要想用电注入的方法向P区注入电子，最好的方法就是如图C所示，在P区下面再用特殊工艺加一块N型半导体（注3）。 ​ 图C所示其实就是NPN型晶体三极管的雏形，其相应各部分的名称以及功能与三极管完全相同。为方便讨论，以下我们对图C中所示的各个部分的名称直接采用与三极管相应的名称（如“发射结”，“集电极”等）。再看示意图C，图中最下面的发射区N型半导体内电子作为多数载流子大量存在，而且，如图C中所示，要将发射区的电子注入或者说是发射到P区（基区）是很容易的，只要使发射结正偏即可。具体说就是在基极与发射极之间加上一个足够的正向的门电压（约为0.7伏）就可以了。在外加门电压作用下，发射区的电子就会很容易地被发射注入到基区，这样就实现对基区少数载流子“电子”在数量上的改变。 集电极电流Ic的形成： 如图C，发射结加上正偏电压导通后，在外加电压的作用下，发射区的多数载流子——电子就会很容易地被大量发射进入基区。这些载流子一旦进入基区，它们在基区（P区）的性质仍然属于少数载流子的性质。如前所述，少数载流子很容易反向穿过处于反偏状态的PN结，所以，这些载流子——电子就会很容易向上穿过处于反偏状态的集电结到达集电区形成集电极电流Ic。由此可见，集电极电流的形成并不是一定要靠集电极的高电位。集电极电流的大小更主要的要取决于发射区载流子对基区的发射与注入，取决于这种发射与注入的程度。这种载流子的发射注入程度及乎与集电极电位的高低没有什么关系。这正好能自然地说明，为什么三极管在放大状态下，集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关的原因。放大状态下Ic并不受控于Vc，Vc的作用主要是维持集电结的反偏状态，以此来满足三极管放大态下所需要外部电路条件。 对于Ic还可以做如下结论：Ic的本质是“少子”电流，是通过电子注入而实现的人为可控的集电结“漏”电流，因此它就可以很容易地反向通过集电结。 Ic与Ib的关系： 很明显，对于三极管的内部电路来说，图C与图D是完全等效的。图D就是教科书上常用的三极管电流放大原理示意图。 看图D，接着上面的讨论，集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关，主要取决于发射区载流子对基区的发射注入程度。 ​ 通过上面的讨论，现在已经明白，三极管在电流放大状态下，内部的主要电流就是由载流子电子由发射区经基区再到集电区贯穿三极管所形成。也就是贯穿三极管的电流Ic主要是电子流。这种贯穿的电子流与历史上的电子三极管非常类似。如图E，图E就是电子三极管的原理示意图。电子三极管的电流放大原理因为其结构的直观形象，可以很自然得到解释。 ​ 如图E所示，很容易理解，电子三极管Ib与Ic之间的固定比例关系，主要取决于电子管栅极（基极）的构造。当外部电路条件满足时，电子三极管工作在放大状态。在放大状态下，穿过管子的电流主要是由发射极经栅极再到集电极的电子流。电子流在穿越栅极时，很显然栅极会对其进行截流，截流时就存在着一个截流比问题。截流比的大小，则主要与栅极的疏密度有关，如果栅极做的密，它的等效截流面积就大，截流比例自然就大，拦截下来的电子流就多。反之截流比小，拦截下来的电子流就少。栅极拦截下来的电子流其实就是电流Ib，其余的穿过栅极到达集电极的电子流就是Ic。从图中可以看出，只要栅极的结构尺寸确定，那么截流比例就确定，也就是Ic与Ib的比值确定。所以，只要管子的内部结构确定，的值就确定，这个比值就固定不变。由此可知，电流放大倍数的β值主要与栅极的疏密度有关。栅极越密则截流比例越大，相应的β值越低，栅极越疏则截流比例越小，相应的β值越高。 其实晶体三极管的电流放大关系与电子三极管类似。晶体三极管的基极就相当于电子三极管的栅极，基区就相当于栅网，只不过晶体管的这个栅网是动态的是不可见的。放大状态下，贯穿整个管子的电子流在通过基区时，基区与电子管的栅网作用相类似，会对电子流进行截流。如果基区做得薄，掺杂度低，基区的空穴数就会少，那么空穴对电子的截流量就小，这就相当于电子管的栅网比较疏一样。反之截流量就会大。很明显只要晶体管三极管的内部结构确定，这个截流比也就确定。所以，为了获大较大的电流放大倍数，使β值足够高，在制作三极管时往往要把基区做得很薄，而且其掺杂度也要控制得很低。 与电子管不同的是，晶体管的截流主要是靠分布在基区的带正电的“空穴”对贯穿的电子流中带负电的“电子”中和来实现。所以，截流的效果主要取决于基区空穴的数量。而且，这个过程是个动态过程，“空穴”不断地与“电子”中和，同时“空穴”又不断地会在外部电源作用下得到补充。在这个动态过程中，空穴的等效总数量是不变的。基区空穴的总数量主要取决于掺“杂”度以及基区的厚薄，只要晶体管结构确定，基区空穴的总定额就确定，其相应的动态总量就确定。这样，截流比就确定，晶体管的电流放大倍数的值就是定值。这就是为什么放大状态下，三极管的电流Ic与Ib之间会有一个固定的比例关系的原因。 对于截止状态的解释： 比例关系说明，放大状态下电流Ic按一个固定的比例受控于电流Ib，这个固定的控制比例主要取决于晶体管的内部结构。 对于Ib等于0的截止状态，问题更为简单。当Ib等于0时，说明外部电压Ube太小，没有达到发射结的门电压值，发射区没有载流子“电子”向基区的发射注入，所以，此时既不会有电流Ib，也更不可能有电流Ic。另外，从纯数学的电流放大公式更容易推出结论，Ic=βIb，Ib为0，很显然Ic也为0。 三极管封装与引脚 三极管的封装形式是指三极管的外形参数，也就是安装半导体三极管用的外壳。材料方面，三极管的封装形式主要有金属、陶瓷和塑料形式；结构方面，三极管的封装为TO×××，×××表示三极管的外形；装配方式有通孔插装（通孔式）、表面安装（贴片式）和直接安装；引脚形状有长引线直插、短引线或无引线贴装等。常用三极管的封装形式有TO－92、TO－126、TO－3、TO－220TO等。 　　国产晶体管按原部标规定有近30种外形和几十种规格，其外形结构和规格分别用字母和数字表示，如TO－162、TO－92等。晶体管的外形及尺寸如图1所示。 ​ ​ ​ 图1 晶体管的外形及尺寸 封装 　　1.金属封装 　　（1）B型：B型分为B－1、B－2、…、B－6共6种规格，主要用于1W及1W以下的高频小功率晶体管，其中B－1、B－3型最为常用。引脚排列：管底面对自己，由管键起，按顺时针方向依次为E、B、C、D（接地极）。其封装外形如图2（a）所示。 　　（2）C型：引脚排列与B型相同，主要用于小功率。其封装外形如图2（b）所示。 　　（3）D型：外形结构与B型相同。引脚排列：管底面对自己，等腰三角形的底面朝下，按顺时针方向依次为E、B、C。其封装外形如图2（c）所示。 　　（4）E型：引脚排列与D型相同，封装外形如图3（d）所示。 　　（5）F型：该型分为F－0、F－1～F－4共5种规格，各规格外形相同而尺寸不同，主要用于低频大功率管封装，使用最多的是F－2型封装。引脚排列：管底面对自己，小等腰三角形的庵面朝下，左为E，右为B，两固定孔为C。其封装外形如图2（e）所示。¨ 　　（6）G型：分为G－1～G－6共6种规格，主要用于低频大功率晶体管封装，使用最多的是G－3、G－4型。其中G－1、G－2为圆形引出线，G－3～G－6为扁形引出线。引脚排列：管底面对自己，等腰三角形的底面朝下，按顺时针方向依次为E、B、C。其封装外形如图2（f）所示。 　　2.塑料封装 　　（1）S－1型、S－2型、S－4型：用于封装小功率三极管，其中以S－1型应用最为普遍。S－1、S－2、S－3型管的封装外形如图2（g）、（h）、（i）所示。引脚排列：平面朝外，半圆形朝内，引脚朝上时从左到右为E、B、C。 　　（2）S－5型：主要用于大功率三极管。引脚排列：平面朝外，半圆形朝内，引脚朝上时从左到右为E、B、C。S－5型的封装外形如图2（j）所示。 　　（3）S－6lA、S－6B、S－7、S－8型：主要用于大功率三极管，其中以S－7型最为常用。S－6A引脚排列：切角面面对自己，引脚朝下，从左到右依次为B、C、E。它们的引脚排列与外形分别如图5.12（k）、（l）、（m）、（n）所示。 　　（4）常见进口管的外形封装结构：TO－92与部标S－1相似，TO－92L与部标S－4相似，TO126与S－5相似，TO-202与部标S－7相似。 ​ ​ ​ ​ 图2 晶体管的外形及尺寸（续） 　常见三极管的封装对照图如图3所示。 ​ ​ ​ 图3 常见三极管封装对照图 　　常见三极管封装实物图如图4所示。 ​ ​ 图4 常见三极管封装实物图 2 引脚 　　三极管引脚的排列方式具有一定的规律。对于国产小功率金属封装三极管，底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左向右依次为E、B、C；有管键的管子，从管键处按顺时针方向依次为E、B、C，其引脚识别图如图5（a）所示。对于国产中小功率塑封三极管，使其平面朝外，半圆形朝内，三个引脚朝上放置，则从左到右依次为E、B、C，其引脚识别图如图5（b）所示。 　　目前，市场上有各种类型的晶体三极管，引脚的排列不尽相同。在使用中不确定引脚排、列的三极管，必须进行测量，或查找晶体管使用手册，明确三极管的特J跬及相应的技术参数和资料。 　　现今比较流行的三极管901 I～9018系列为高频小功率管，除9012和9015为PNP型管外，其余均为NPN型管。 　　常用9011～9018、C1815系列三极管引脚排列如图6所示。平面对着自己，引脚朝下，从左至右依次是E、C、B。 ​ 图5 国产小功率三极管引脚识别图 ​ 图6 常用C1815等引脚排列图 　　贴片式三极管有三个电极的，也有四个电极的。一般三个电极的贴片式三极管从顶端往下看有两边，上边只有一脚的为集电极，下边的两脚分别是基极和发射极。在四个电极的贴片式三极管中，比较大的一个引脚是三极管的集电极，另有两个引脚相通是发射极，余下的一个是基极。常见贴片式三极管引脚外形图如图7所示。 ​ 图7 常见贴片式三极管引脚外形图 本文内容，整理自《百度文库》《维库电子》 ​