基本元器件-三极管

1.1 三极管简介

三极管，全称为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件，其作用是把基极电流的微小变化去控制集电极电流的巨大变化，也用作无触点开关。单片机应用电路中三极管主要的作用就是开关作用。

1.2 三极管的分类

1、按材质分: 硅管（导通压降0.7V）、锗管（导通压降0.3V）。

2、按结构分: NPN 、 PNP。

3、按功能分: 开关管、功率管、达林顿管、光敏管。

达林顿管：又叫复合管，将两个三极管串联，以组成一只等效的新的三极管。接法总共有4种：NPN+NPN、NPN+PNP、PNP+PNP、PNP+NPN。

4、按功率分：小功率管（<500mW）、中功率管（500mW~1W）、大功率管（>1W）。

5、按工作频率分：低频管(小于3Mhz)、高频管（3-30Mhz）、超频管（30-500Mhz）。

6、按封装分：插件三极管、贴片三极管。

1.3 三极管的厂家

长电、美台、强茂、先科等等。

1.4 三极管的常用型号

三极管常用的型号有MMBTxxxx（单管）、MMDTxxxx（2合1三极管）、SS/Sxxxx（SS是原装进口，S是国产）、2Nxxxx。

单管：MMBT3904/3906（3904是NPN管，3906是PNP管）、8050/8550（8050是NPN管，8550是PNP管）、9013/9014（都是NPN管）、MMBT5551/5401、MMBT2222A、D882、BCX56。

2合1三极管：MMDT5551/5401、MMDT2227。

拓展1：如何看贴片三极管的型号？

由于贴片三极管的体积很小，无法标注完整型号，故不少厂家都采用丝印来表示贴片三极管的型号。

封装丝印对应的型号如下表所示。

拓展2：三极管封装管脚排序与原理图器件管脚应该如何对应呢？

在制作封装时，经常会碰到要进行封装管脚匹配，特别是3极管类型封装，特别容易将管脚排序做错。以下给大家介绍三极管管脚排序的方法：

第一步，打开原理图，找到对应的器件，查看器件的管脚排序，如下图，分析图示可知，1脚为E极，2脚为B极，3脚为C极，如下图所示。

第二步，打开器件Datasheet，查看Datasheet中3极管的管脚分布及其管脚所对应的信号，根据图示可知，1脚为B极，2脚为E极，3脚为C极，如下图所示。

第三步，根据Datasheet制作封装，并进行管脚匹配，如下图所示。

1.5 三极管的内部结构

左图是NPN型，右图是PNP型。

1.6 三极管的电路符号及等效示意图

三极管的电路符号如下：

三极管的等效示意图如下：

1.7 用阀门开关控制水管的例子来理解三极管的工作原理

以NPN管子为例，将三极管看成是一个水管，电流假设为水流。水管有两个阀门，一个大阀门(绿线)，一个小阀门(蓝线)。由于大阀门需要很大的力量能打开，所以不能够直接打开。打开小阀门需要B端有一定的水压（压降达到0.7V），此时水流IB可以推开小阀门，小阀门被推开后，通过联动装置（图中的黄线）可以开启大阀门。此时IB端没有水流，因此小阀门没有被开启，是截止状态。

当B端有一定水压（相当于达到了管压降）时，IB端有水流把小阀门推开了，此时有少量水流(基极电流)流过小阀门进入到管子里，小阀门的开启会通过联动装置导致大阀门(集电极)被打开，IC水流(集电极电流)就流出来了。

如下图所示，随着IB端的水流越大，小阀门被推开得越大，因此大阀门也会开得越大。

当IB端的水流继续加大，此时小阀门还没完全打开时大阀门已经完全打开了，说明流过IC端的水流已经饱和了，之后即使增大IB端的水流，对IC端的水流没有什么影响了。

IC和IB的水流最终都流向了IE。

同理举一下PNP例子，当IB端的水压低于IE端时（压降达到了0.7V），此时IE端的水流会把小阀门推开，此时通过联动装置大阀门也会开启。IE的水流一部分流向了IB，一部分流向了IC。

1.8 三极管的Datasheet手册

1.8.1 击穿电压VCBO、VCEO、VEBO

VCBO：发射极开路，集电极、基极的击穿电压。

VCEO：基极开路，集电极、发射极的击穿电压。

VEBO：集电极开路，发射极、基极的击穿电压。

1.8.2 耗散功率和结温热阻

Pc：最大耗散功率，是指三极管在长时间工作状态下所能承受的最大功率，一般用瓦特（W）来表示。如果超过最大耗散功率，则可能会导致三极管灼烧，甚至损坏。因此，选择三极管时要注意其最大耗散功率。

如下图所示，当环境温度超过25℃时，三极管的耗散功率随着环境温度升高而降低。

ROJA：结温热阻。

Tj：结温。半导体中PN结的温度，描述半导体器件工作时的热特性，不能超过该最大温度，否则会坏。

功率要与热阻结合起来才对设计工程师更有意义。

假设当前三极管的功耗为0.1W，通过热阻可以计算出三极管的结温：

Tj=TA+ROJA*PD=25+833*0.1=108.3℃，108.3℃ <150℃，因此管子没坏。

三极管在什么情况下会坏？

电压值超过Vcbo、Vceo、Vebo；2、管子结温过高；3、工作功率超过耗散功率。

1.8.3 反向截止电流

Icex：基极接地，集电极与发射极间加指定偏压，在规定的反向偏压VCE下，集电极与发射极之间的反向截止电流。

Icbo：基极接地，发射极对地开路，在规定的VCB反向电压条件下的集电极与基极之间的反向截止电流。

Iebo：基极接地，集电极对地开路，在规定的反向电压VEB条件下，发射极与基极之间的反向截止电流。

1.8.4 增益系数hFE

增益系数HFE其实就是放大倍数β，HFE的变化是跟随IC变化的，IC在0.1mA~10mA时，HFE变化很小，IC>10mA时。HFE变化非常大。如果想工作在放大状态，需要考虑放大倍数问题，放大倍数过大，容易导致波形失真。

β随着温度的升高而增大，Ib不变时Ic就会增大。

1.8.5 特征频率

fT：特征频率，表征晶体管在高频放大能力的一个基本参量，其电流放大系数β下降到1时的频率。晶体管的放大系数和工作频率有关。F>fT时三极管失去电流放大能力，电路将不能工作。

1.8.6 饱和电压

VCE(sat)是三极管集电极与发射极之间的饱和电压，saturation为饱和的意思。

VBE(sat)是三极管基极与发射极之间的饱和电压。

当三极管饱和导通之后，VCE(sat)两端电压会随着Ic电流的增大有轻微的增大，最大增大到0.3V；VBE(sat)两端电压也会随着Ib电流的增大有轻微的增大，最大增大到0.95V。

1.8.7 结电容

三极管由于内部有PN结，因此存在结电容，总共有3个结电容。

Cib：输入电容；Cob：输出电容；C？（手册没提，忽略）。

1.8.8 开关速度

开关时间总共分为如下四个：延时时间Td、上升时间Tr、下降时间Tf、保持时间Ts。

延时时间Td：主要是对发射结和集电结势垒电容充电所需要的时间；

上升时间Tr：从截止达到临界饱和需要的时间；

保持时间Ts：从饱和导通状态退出到临界饱和状态所需要的时间，也就是从过饱和状态(集电结正偏的状态)退出到临界饱和状态(集电结0偏的状态)所需要的时间；

下降时间Tf：从临界饱和退出到截止的时间。

以上4个参数称为BJT的开关时间参数。

通常把ton = td + tr,称为开通时间,它反映了BJT从截止到饱和所需的时间；把 toff= ts+ tf称为关闭时间,它反映了BJT从饱和到截止所需的时间。

开通时间和关闭时间总称为BJT的开关时间,它随管子类型不同而有很大差别，一般在几十至几百纳秒的范围，可以从器件手册中查到。

加快三极管开关速度的方法有哪些？

减小发射结和集电极面积以减小结电容；
减小基极反向偏压的大小，使发射结尽快能够进行正偏
增大基极电流，从而增加对电容充电的速度(但饱和深度会增加)。

结电容虽然影响着三极管开关速度，但结电容的存在可以在一定程度上起到滤波的作用。

那么，如何在不更换三极管的情况下提高三极管的开高速度呢？

如下图所示，在RB电阻上并联一个电容，可以加快三极管导通的速度。当有Vin电压的瞬间，电容可以看成短路，于是Ib一瞬间很大，可以加快结电容的充电速度，增加开关速度；接着当没有Vin时，电容此时是左+右-的，电容由于自身电压不能突变，因此电容右边会产生一个负压，而且此时E极是GND，发射结此时反偏，三极管很快就关断。

1.9 三极管的三种状态

一、截止状态:三极管未导通/发射结反偏。

二、放大状态:发射结正偏，集电结反偏。lc=β*Ib。

三、饱和导通状态:发射结正偏，集电结正偏。Ic不受Ib控制。

三极管工作在什么工作状态是由什么决定的呢?

是由基极电流(Ib)来决定的。

如果ib=0，则三极管工作在截止区；

如果0<Ib*β<饱和电流，则三极管工作在放大区；

如果Ib*β>饱和电流，则三极管工作在饱和区。

当处于饱和状态时，Ic不受Ib控制，那么Ic受C端上的负载控制。

如下图所示，假设10V上串联一个1K的电阻，当工作在饱和区时，Ic为10mA，Ic称为饱和电流，此时Ib应该至少给多少值才能让三极管进入临界导通状态呢？

假设β为200，因为饱和电流Ic为10mA，因此饱和电流Ib=Ic/β=10mA/200=50uA。也就是当Ib为50uA时，三极管进入临界饱和导通状态。假设此时Ib为1mA，那么1mA*200>10mA（饱和电流Ic），三极管工作在饱和导通状态，并且此时三极管深度饱和。

什么是饱和导通深度呢？

饱和导通深度：由于Ic增大到一定程度时，HFE会减小，可能导致三极管原本是进入饱和导通状态的（Ib*HFE>Ic（max）），现在进入了放大状态（Ib*HFE<Ic（max））。所以我们应该让三极管进入深度饱和，增大Ib电流，使得Ib*HFE>>Ic（max）。

饱和的条件是什么？

集电极和电源之间有电阻存在，且越大就越容易让管子饱和；
基极电流比较大以使集电极的电阻把集电极的电源拉得很低，从而出现b较c电压高。

影响饱和的素有哪些呢？

1、集电极电阻越大越容易饱和；

2、管子的放大倍数越大越容易饱和；

3、基极电流的大小。

饱和后的现象是什么呢？

基极电压大于集电极电压；
集电极电压为0.2V左右，基极电压为0.7V左右（假设e极接地）。

1.10 三极管的放大作用

1.10.1 三极管的输出特性曲线

为便于描述，画出三极管放大电路示意图如下图所示

从示意图可以得到，相关物理量满足公式：Ic=(Vcc-Vce)/Rc。

当Vcc与Rc不变时，集电极电流越大，集电极与发射极之间的压降越小。

输出特性曲线如下图所示，三极管的输出特性是指在基极电流iB大小一定时，输出电压UCE与输出电流iC之间的关系。

截止区特点: iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。该区域内UBE<0.5V(硅管)，此时发射结反偏，集电结反偏.

放大区特点: iC平行于UCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏电压大于0.7 V左右(硅管)

饱和区特点: iC受UCE显著控制的区域该区域内UCE的数值较小，一般UCE<0.7 V(硅管)此时发射结正偏，集电结正偏.

手册的图形如下图所示。

1.10.2 三极管的输入特性曲线

输入特性曲线是指当集电极一射极电压UCE为常数时，基极电流iB与基极一射极电压UBE之间的关系曲线，如图2所示，即: 输入特性曲线iB=f(UBE)UCE常数

由于三极管的发射结是一个PN结，且正向连接，所以三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性曲线是一样的，其输入持性曲线的特点是(2) 死区特点: 当UBE<开启电压0.5V时 (即硅晶体管UBE值的开启电压0.5V，锗三极管UBE值的开启电压0.2V)，称为三极管的“死区”，由于UBE很小，此时基极电流iB为0，三极管处于截止状态。

非线性区特点: 当UBE>开启电压0.5V时(即对于硅晶体管UBE值的导通电压为0.6V，锗三极管UBE值的导通电压为0.3V) ，基极电流iB开始增大，三极管开始导通。UBE与iB成非线性关系

由图可知，当三极管的集电极电流在0.1mA~10mA之间时，hFE才会处于一个稳定的值，我们若是想对三极管进行放大，应该控制Ic电流在这个区间内。当温度由25℃变成到100℃，hFE会由175变成250。

1.10.3 三极管放大电路的静态工作点Q

三极管的工作状态由基极电流决定，影响基级电流的最重要因素就是静态工作点。

在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量共存。三极管静态工作点就是当交流输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些电流、电压的数值可用 BJT 特性曲线上一个确定的点表示，该点习惯上称为静态工作点Q。至于为什么叫静态，是因为此时三极管工作状态是在直流的情况下确定的，如果电路不变，则工作点不会发生变化。

如下图所示，就是一个最简单的三极管放大电路。

当ui没有输入交流信号时，B点就只有直流分量，电路中只有两条回路，一条是VCC通过Rb以及三极管的发射结到地的输入回路，另一条是VCC通过RC以及集电极到发射极后到地的输出回路。

静态工作点(IBQ,VBEQ)：最左边的输入回路的管外电路的回路方程与BJT输入特性曲线的交点。

静态工作点（ICQ，VCEQ）：最右边的输出回路管外电路的回路方程（直流负载线）与IB=IBQ的那条输出特性曲线的交点。

1.10.4 动态工作的图解分析

输入电压信号ui通过电容C1（这里电容的作用是隔直通交，也就是外部的直流电压将不会输入，也就是不会影响到三极管的工作点）耦合叠加在三极管基极，因此三极管基极电位将随之发生变化。

如果ui是一个正弦交流信号，即ui=Uimsinωt，则基极电位uBE=UBEQ+ Uimsinωt。也即是基极电位将会随着ui变化而变化。

根据如下的变化过程，可以逐一得到放大器输出的电压和电流

假设输入信号为一个正弦波信号，当输入信号的电压幅度最高时，ib的电流也最大，R上的压降也最大，CE之间的电压也越低。因此VCC的存在，实现了电压的放大，但变化方向相反，相差180°(输入电压最大，输出电压最小)。

如果ib过大或过小，B变小，将导致信号失真，因此我们希望B是个常数

假设没有输入交流信号(即静态)下，流入的直流电流，称为Q点，也就是静态工作点。设置静态工作点的目的是为了让输入信号在静态工作点上下波动。

1.10.5 饱和失真和截止失真

当静态工作点接近饱和区，出现的失真叫饱和失真。

当ui正向变大时，uBE也随之变大，因此基极电流iB增加，集电极电流iC增大，对应的三极管输出特性曲线将上移，因此对应的实际工作点也将上移。

如果ui正向幅值过大，则此时工作点会进入饱和区，导致输出信号uCE波形变形（NPN三极管对应的是负半周波形，PNP反之），称之为“饱和失真”，如下图所示。

当ui极性为负，不断变小时，uBE也随之变小，因此基极电流iB减少，集电极电流iC变小，对应的三极管输出特性曲线将下移，因此对应的实际工作点也将下移。

如果ui负向幅值过大，则工作点会进入截止区，导致输出信号uCE波形变形（NPN三极管对应的是正半周波形，PNP反之），称之为“截止失真”，如下图所示。

1.11 三极管的开关作用

三极管当做开关来使用时，是利用了其要么工作在饱和区（导通），要么工作在截止区（不导通），总之就是不能工作在放大区。如果工作在放大区，那么Vce的电压就很难确定了。如果我们想利用三极管的开关作用的话，应该如何保证三极管不会工作在放大状态呢？

Ic电流随着Ib的增大，Ic是慢慢增大的，当电流Ib增大到一定程度Ib0 之后，Ic就不再变化了，此时Ibo就是它的饱和电流。因为，当基极电流到达Ibo之后，无论他多么的努力，想让Ic 增大，但是Ic 就是不听使唤，这个不听使唤的时候，可以认为，三极管已经饱和了。

如下图所示这个三极管，此时处于饱和还是放大状态？假设β=100 ，对于三极管约法三章：1、Vbe=0.7V；2、Vce=0.3V（饱和导通时才是 0.3）；3、β=100（为了方便交流）那么，按照约定这个电路中的 Ib 电流应该是多大？

（5.7-Vbe）/15K=0.333mA

如果在放大区，通过Ic=β*Ib=33.3mA 。

再看一下 Ic 通路，请问，电流 Ic 最大能达到多少？我们知道，对于三极管的 Uce 电压，是不是，最低也得有0.3V压降？并且，三极管Uce 的压降最低的时候，电流Ic 是不是也就达到了最大？所以，Ic的电流，最大也就能达到（12.3-Uce）/5K=2.4mA，所以，Ic 电流最大也只能达到 2.4mA，我们就称为Ic_max=2.4mA 。 β*Ib =33.3mA 我们之前算的，β*Ib =33.3mA＞Ic_max=2.4mA，既然，不是刚好等于β倍，是不是就是 Ic 没有听 Ib 的使唤？那么，这个时候，实际上就是饱和状态了，其实我们反过来 2.4mA/100=0.024mA ，即Ib为 0.024mA 的时候，三极管就其实已经处于临界饱和状态了，0.024mA 就已经是临界饱和状态了，那么0.333mA那是绝对饱和了，即深度饱和。Ic_max＞Ib*β就是放大，Ic_max≤Ib*β饱和。

在大部分应用中，三极管是作为开关管使用了。

我们刚刚是不是算出，Ib电流只要达到 0.024mA以上，三极管就可以处于开关状态？那么，如果想要三极管工作在开关状态，那么Ib 电流必须大于0.024mA，如果比0.024mA 大一点点，是不是可能不太可靠？比如温度不同的时候，他的β也会变的，如果Ib电流比 0.024mA大很多呢？是不是完全可以保证三极管，肯定会饱和？就好比，Ib取5mA，是不是，无论温度怎么变化，三极管，肯定是处于饱和状态，但如果Ib电流取这么大，也有弊端的，首先，功耗上肯定有点大了，虽然保证了饱和，但是功耗大了。

所以，我们在设计三极管的时候，我们应该选择一个适中的值。只要三极管作开关用，我们取Ib=1mA，好处是：1、完全可以保证三极管在任何苛刻的条件能饱和导通；2、功耗能接受。

我们说N管作为开关管，它的E极接地。这个电路的N管的开通和关断对前面驱动信号的幅值有没有什么要求啊？

我们看图中的A点，是不是只要A点大于0.7V就可以了，就是说，只要保证三极管的B极断开，两个电阻的分压大于0.7V就可以了，N型三极管E极接地，理论上我们是不是只保证驱动电压大于0.7V 就可以导通了。如果电阻参数不合适，我们是可以去调节参数来满足的。理论上，只要有一个大于0.7V的驱动信号，总会有一个合适的参数，能让三极管饱和导通.

输入和输出波形如下图所示。