《模电想说爱你不容易》之有源器件篇：三极管，电流控制型半导体器件

硬小妹：“李工，三极管和双极型晶体管是一样的吗？”

油条李：“这就像人名一样，一个是外号，一个是名字！”

硬小妹：“哦哦，那三极和双极不就互相矛盾了吗？”

油条李：“此三极非彼双极也！”

1947年，第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管问世，标志着人类从真空管时代进入了晶体管时代。晶体管的发明开启了电子世界的大门，为集成电路的产生奠定了基础。

根据制造工艺和结构的不同，晶体管可分为三大类：双极型晶体管（BJT）、场效应晶体管（FET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。双极型晶体管又称为三极管，是我们常用的一种电子元器件，今天我们先来学习一下有关三极管的基础知识和应用技巧吧。

一、三极管的分类

1、根据极性的不同三极管可分为：NPN型三极管和PNP型三极管；

2、根据材料的不同三极管可分为：硅三极管和锗三极管；

3、根据工作频率的不同三极管可分为：低频三极管和高频三极管；

4、根据功率的不同三极管可分为：小功率三极管、中功率三极管和大功率三极管；

5、根据封装材料的不同三极管可分为：塑料封装三极管和金属封装三极管；

6、根据封装形式的不同三极管可分为：插件三极管和贴片三极管；

7、根据用途的不同三极管可分为：放大三极管、开关三极管和振荡三极管等。

二、三极管的品牌

我们常用的三极管的品牌主要有以下几种：

1、长电CJ

2、美台DIODES

3、英飞凌Infineon

4、辰达行电子MDD

5、安世Nexperia

6、安森美ON

7、罗姆ROHM

8、时科SHIKUES

9、东芝TOSHIBA

10、友顺UTC

随着国内半导体厂商的崛起，在中低端市场，国产品牌的三极管在价格和性能上具有一定的优势，逐渐取代了国外品牌，成为市场的主流选择，但在高端市场，国外厂商仍占据领先地位，特别是在高频、大功率等应用场景。现如今，我们国家和企业已经意识到自主研发的重要性，相信在不久的将来，三极管的高端应用场景我们也会占有一席之地。

三、三极管的结构

三极管是在二极管的基础上发展而来的，一个二极管包含一个PN结，而一个三极管包含两个PN结，这两个PN结构成两种极性，三个管脚，这三个管脚分别称为基极、集电极和发射极，如下图所示：

图源 | TOSHIBA官网

三极管是电流控制型半导体器件，由基极电流大小控制集电极电流大小。对于不同类型的三极管，其电流方向是不同的，对于NPN型三极管，其电流方向为从基极到发射极、从集电极到发射极；对于PNP型三极管，其电流方向为从发射极到基极、从发射极到集电极，可形象的记忆为三极管电路符号上的箭头方向代表电流的方向。

由于三极管是电流敏感型器件，因此在实际电路应用当中，应特别注意基极电流的大小。基极的限流电阻的阻值不能过大或者过小，应根据实际需求进行选择，比如使用三极管驱动继电器的电路当中，如果三极管基极串接电阻取值过大，则会造成继电器无法动作的现象，此时串接电阻取值220欧姆至1K范围较为合适。

四、三极管的常用参数

三极管的参数可分为三类：直流参数、交流参数和极限参数，不同参数表征的是三极管在不同条件下的特性。

1、直流参数。

（1）直流放大倍数h_FE。该参数表征的是在共发射极电路中，没有交流电流输入时，集电极电流与基极电流的比值，即h_FE = I_C / I_B。以长电NPN型三极管型号S8050为例，其直流增益和集电极电流的关系曲线如下图所示：

图源 |长电官网

从上图可以看出，三极管的直流增益参数并不是固定的，而是随着环境温度、集电极电流的大小的变化而变化，因此，在产品电路设计当中应充分考虑环境温度、集电极电流的大小对直流增益的影响，预留一定的余量，避免极端条件下造成产品功能的异常。

（2）集电极-基极反向截止电流I_CBO。该参数表征的是三极管在发射极开路时，集电极和基极之间加上一定的反向偏置电压，此时的集电极电流称为集电极-基极反向截止电流，该参数越小越好，一般为uA级别。

（3）集电极-发射极反向截止电流I_CEO。该参数又称为穿透电流，表征的是三极管在基极开路时，集电极和发射极之间加上一定的反向偏置电压，此时流过集电极和发射极的电流称为集电极-发射极反向截止电流，该参数越小越好，一般为uA级别。

（4）发射极-基极反向截止电流I_EBO。该参数表征的是三极管是集电极开路时，发射极和基极之间加上一定的反向偏置电压，此时流过发射极和基极之间的电流称为发射极-基极反向截止电流，该参数越小越好，一般为uA级别。

（5）集电极-发射极饱和电压V_CEsat。该参数表征的是流过三极管集电极最大电流时，集电极和发射极之间的电压大小。以长电NPN型三极管型号S8050为例，其集电极-发射极饱和电压与集电极电流之间的关系曲线如下图所示：

图源 |长电官网

从上图可以看出，集电极-发射极饱和电压是随着集电极电流的增大而增大的，且环境温度对其有一定的影响。该参数越小越好。

（6）基极-发射极饱和电压V_BEsat。该参数表征的是流过三极管集电极最大电流时，基极和发射极之间的电压大小。以长电NPN型三极管型号S8050为例，其基极-发射极饱和电压与集电极电流之间的关系曲线如下图所示：

图源 |长电官网

从上图可以看出，基极-发射极饱和电压是随着集电极电流的增大而增大的，且环境温度对其有一定的影响。该参数越小越好。

2、交流参数

（1）交流放大倍数β。该参数表征的是在共发射极电路中，基极输入交流电流信号时，集电极电流的变化量ΔI_C与基极电流变化量ΔI_B的比值，即β =ΔI_{C / ΔIB}。在三极管的数据手册当中，一般给出的是直流放大倍数h_FE而不是交流放大倍数β，这是因为三极管的交流放大倍数的大小近似于直流放大倍数，因此在实际计算过程中二者取值可以相同。

（2）特征频率f_T。该参数表征的是三极管交流放大倍数β下降到1时的基极输入信号的频率，此时三极管已无放大作用。三极管的特征频率相当于其带宽，在实际应用当中基极输入信号的频率与信号放大倍数的乘积应小于三极管的特征频率。以长电NPN型三极管型号S8050为例，其特征频率与集电极电流之间的关系曲线如下图所示：

图源 |长电官网

从上图中可以看出，三极管的特征频率并不是固定不变的，而是随着集电极电流的变化而变化的。三极管的特征频率一般都是比较高的，超过100Mhz，对于低频信号的放大电路可不用特别关注该参数，但对于大于1Mhz的信号放大电路时则需要特别关注该参数，否则易造成信号的失真等异常现象。

三极管的交流参数除了交流放大倍数和特征频率外，还包括噪声系数、等效噪声电压、输入电容、输出电容等参数，这些参数在一些特殊应用场景当中需要特别关注。

3、极限参数

（1）集电极-基极击穿电压V_CBO。该参数表征的是三极管发射极开路时，集电极和基极之间能够承受的最大电压值。以长电NPN型三极管型号S8050为例，其集电极-基极击穿电压为40V。

（2）集电极-发射极击穿电压V_CEO。该参数表征的是三极管基极开路时，集电极和发射极之间能够承受的最大电压值。以长电NPN型三极管型号S8050为例，其集电极-发射极击穿电压为25V。

（3）发射极-基极击穿电压V_EBO。该参数表征的是三极管集电极开路时，发射极和基极之间能够承受的最大电压值。以长电NPN型三极管型号S8050为例，其发射极-基极击穿电压为5V。

（4）集电极最大允许电流I_C。该参数表征的是三极管集电极能够承受的最大电流值，超过该参数值易损坏三极管。以长电NPN型三极管型号S8050为例，其集电极最大允许电流为500mA。

（5）集电极最大允许耗散功率P_C。该参数表征的是三极管因发热而引起的参数变化在规定的范围之内时，集电极消耗的最大功率。以长电NPN型三极管型号S8050为例，其集电极最大允许耗散功率为300mW，其集电极最大允许耗散功率与环境温度之间的关系曲线如下图所示：

图源 |长电官网

从上图中可以看出，三极管集电极最大允许耗散功率是在环境温度25摄氏度时测定的，随着环境温度的升高，该参数是逐渐降低的，因此在大电流或者高温环境等应用场景，应充分考虑三极管的散热问题。

五、三极管的应用

三极管有三种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态，下面以NPN型三极管为例，简要说明一下这三种状态。

1、截止状态。此状态下三极管不工作，集电极电流为零，集电极电阻上的电压降为零，集电极电压等于三极管直流工作电压。

2、放大状态。此状态下三极管具有电流放大功能，集电极电流增大时集电极电压降低；集电极电流减小时集电极电压升高。此状态下三极管集电极电压大于基极电压，基极电压大于发射极电压。

3、饱和状态。此状态下三极管没有电流放大能力，处于饱和导通状态，基极电压大于集电极电压和发射极电压，且基极和发射极之间的电压为固定值，一般为0.2V左右。

三极管的应用电路都是基于其三种工作状态而设计的，常见的三极管的应用主要有以下几种类型：

1、反向电路。三极管工作在截止状态和饱和状态时，基极电压和集电极电压互为反向，利用该特性可对信号进行反向处理：基极输入信号为低电平时，集电极输出信号为高电平；基极输入信号为高电平时，集电极输出信号为低电平。

2、开关电路。利用三极管截止和饱和状态的特性，使用三极管和MOS管组合成电子开关电路，用来控制电源的通断，同时也能够达到低电压控制高电压的目的。

3、放大电路。利用三极管放大状态的特性，可以组成放大电路，常见的三极管放大电路有共集电极放大电路、共发射极放大电路和共基极放大电路，这三种放大电路各有特点，使用时根据需要进行选择。

4、振荡电路。使用三极管、电阻、电容可以组成不同类型的振荡电路，产生不同类型、频率的波形，比如正弦波、方波。

5、恒压电路。当三极管基极电压不变时，其集电极输出电压也保持不变，利用此特性可以组成恒压源电路，比如我们常见的LDO芯片，就是根据此原理制造而成的。

6、恒流电路。当三极管基极电流不变时，其集电极电流也保持不变，利用此特性可以组成恒流源电路。

7、驱动电路。三极管集电极电流较大，可以用来驱动一些大电流的负载，比如蜂鸣器、继电器、LED灯等等。

随着晶体管的发展，出现了内置偏置电阻的晶体管BRT，此种类型的晶体管相比双极型晶体管BJT具有稳定、抗噪声、节省PCB空间的优点，如下图所示：

图源 | TOSHIBA官网

三极管作为电子电路中常用的元器件，其特性具有非线性，受到多种因素的影响，是我们学习模电的一大难点，同时也是模电入门的必经之路。模电的世界庞杂多变，一不小心可能就会迷失自我，唯有坚持本心，直面困难，方可拨云见日！

“遇到什么困难也不要怕，微笑着面对它，消除恐惧的最好办法就是面对恐惧，坚持就是胜利，奥利给！”