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硬件开发者之路之——半导体元器件之三极管

上一篇 / 下一篇  2017-08-02 23:18:26 / 个人分类:硬件开发之应用技术

         上次讲到二极管,那么由两个背靠背的二极管构成的就是三极管,相对二极管比较简单的特性,三极管自然拥有了更加强大的功能,三极管属于双极性晶体管(电子空穴),区别与单极性MOS管(电子空穴)。本篇文章的目的就是尽可能的对三极管的原理和应用设计有一个清晰的解读。

一、  结构和原理

1、三极管结构简图:

三极管符号:

不少人会对三极管的符号疑惑,尤其是经常和MOS管混淆。如图NPNPNP,很多人把这两种三极管叫做N管和P管,实际上这是不恰当的,N管和P管的称呼是针对MOS管的导电沟道而分的,后续会继续介绍。这里我们有几种方式来区分三极管的类型和CBE三极:

1、电压:正常工作时P区的电压永远大于N区(英文单词positivenegative),基区BN型则为PNP,反之则为NPN

2、电流:正常工作时符号箭头的方向就是电流的方向,就是电子流的反方向,也是从高电位到低电位的方向。

3CBEC极(Collector)收集极收集载流子(电子或空穴),E极(Emittor)发射极发射载流子(电子或空穴),B极(Base)基极作为基础复合极,就是“撮合”发射极和收集极的,如此理解即可,接着讲讲“撮合”原理。

如图NPN三极管,Vbe>0正向偏置于是N区的电子在BE电场的作用下到中间的P区,一部分电子会和P中的空穴复合,形成基极的电流IbVbc<0反向偏置,注意:CBE三极的构造不同,发射极E极作为载流子出发端,掺杂浓度高以提供更多的载流子,收集极C极作为载流子收集端,面积大以实现更好的收集效果,而基极B极作为“撮合极”,掺杂低且距离薄以方便CE极更好接触。因为Vbc反向偏置,因此复合到B极的载流子在这里被BC之间的电场拉到收集极,形成IC电流。在这里因为B极的掺杂浓度很低,区间很窄,因此复合电流Ib很小,实现了小电流控制大电流的最终原理。然后在电流路径上通过阻抗实现电压放大。

半导体结构图:

如图为半导体制造工艺中的三极管构造简图,电子由EN区中出发,穿过B极的P区,最后被C极收集,然后用铝线引出三极,就构成了半导体工艺中的最基础细胞结构。

三极管常见封装:

二、 参数特性

我们以常用的2N3904 NPN三极管的datasheet为例,细说下三极管的各项参数。

上图是三极管几种参数的极限值

1、  CE之间耐压值

2、  CB之间耐压值

3、  EB之间耐压值

4、  极限电流值IC

5、  工作温度和存储温度范围极限

上图是三极管的功率特性,三极管应用在功率电路设计之中时,必须要充分考虑,避免留下长期隐患。

上图是三极管的直流特性,直流增益和饱和压降,分别是在特定条件下测得的。

上图是三极管的频率特性,单位增益带宽为300MHz,输出电容和输入电容大小与带宽紧密相关。

三、 应用特性

1、  三极管伏安特性曲线分析

截止区:BEBC之间均反向偏置,三极管截止,无电流通过。

放大区:在三极管放大区,电流IC主要受基极电流IB控制,与VCE电压关系不大,呈线性关系,因此放大区的三极管可以作为一个可控的电阻器。具体原因是因为:

随着VCE增大,即VBC反向偏置的电压增大,CB之间的电场增强,实际上会造成B极的P区宽度减小,Ib保持不变的话,IC稍微增大一点,这被称为基区宽度调制效应

饱和区:BEBC都正向偏置时,即VB>VC,VB>VE,此时BC之间的电场是和放大时反向的,这样就阻止了发射极E过来的电子到C极,大量的电子在基区复合,这样的结果就是IB一定时,IC的值比在放大区时小,VCE一定时,IB增大,IC基本不变。

2、  三极管基本放大电路分析

三极管根据输入和输出公共端的不同可以分为三种形式,但是基本的状态不变,即集电极反偏,发射极正偏。如下图:

三极管作为放大器件使用时,首先要关注的是静态工作点,就是直流特性。这里可以通过两个图示来明白,分别由负载线和伏安特性曲线组成。

关于三极管静态工作点的设置尤其在处理交流信号时要注意,因为不合适的静态点设置容易导致信号失真。

事实上因为现在芯片的集成度越来越高,各种功能越来越丰富,采用分立器件去搭建放大器时容易造成问题,所以三极管目前在电路设计中的非放大功能越来越多。但是知道三极管的最重要的放大功能,在某些应用中往往会有出其不意的效果。

四、三极管的失效机制

因为三极管是由两个PN结构成,因此三极管的失效也和PN结的特性相关。

1、  热击穿

由于材料或工艺的原因造成三极管在工作时电流不均衡,出现温度过热点,温度超过PN结结温后损坏三极管,这是开关管损坏的主要原因之一。这一特性对应的就是三极管的耗散功率,作为功率管应用时必须严格考虑。

2、  高压击穿

主要是三极管的三极之间的耐压值,具体应用时需要注意降额使用。

五、  小结

三极管的应用也因为其基础性而极其丰富,在不同电路的设计中扮演着不同的角色,但是只要搞清楚三极管的几种工作状态就不会疑惑于那些看起来复杂的设计,大道至简,至易亦至难。


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