硬件元器件【三极管】

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硬件元器件-三极管

三极管基础(BJT)

三极管原理

三极管（也被称为双极结型晶体管）是一种半导体电子器件，常用于放大和开关电路。以NPN型三极管为例，基极为P型半导体，发射极和集电极是N型半导体。

三极管工作状态如下表所示：

当三极管工作于放大区时，集电结处于反偏状态，此时集电极电流$I_C$主要受到基极电流$I_B$的控制，并且它们之间存在一个固定的放大倍数$\beta$。 (为什么)
对于一个PN结来说，当它反偏截止时，仍存在一个很小的反向漏电流 (参考二极管篇) 。当集电结反偏时，少数载流子在外部电源的作用下能够很容易地反向穿过PN结形成漏电流。漏电流之所以很小，是因为少数载流子的数量太少 (此时，漏电流的大小主要取决于少数载流子的浓度) 。那么，增加反偏时少数载流子的浓度 (在P极增加电子，即发射集对基极注入电子) 就可以增大漏电流。
为什么说反偏时少数载流子很容易反向通过PN结呢？是因为PN结内部还存在内电场，内电场的作用方向与少数载流子通过PN结的方向一致。

三极管电气特性

输入特性曲线，$V_{CE}$一定时，基极电流$I_B$与发射结压降$V_{BE}$之间的函数关系，与二极管伏安特性曲线第一象限相似。

输出特性曲线，基极电流$I_B$一定时，集电极电流$I_C$与管压降$V_{CE}$之间的关系。
下图为常用NPN三极管S9013的输出特性曲线：

三极管选型

常用型号如下：

选型原则

1. 参数。关注主要参数，考虑温度、电压、电流等因素增加一定的安全裕度。
2. 封装。封装质量优劣的是用芯片面积与封装面积的比值来判断的，比值越接近1越好。优先选择主流小型化表贴器件：SOT23、SOT323、SOT523、SOT89、SOT663
3. 性能。选择低压降$V_{CE(sat)}$的、低阻抗、高开关效率的器件。
4. 射频三极管优选低电压供电，低噪声，高频及高效器件

关注参数

三极管在电路中有放大和开关两种作用，常见电路中主要应用三极管做开关，打开时工作在饱和状态，关闭时工作在截止状态。

集电-发射极最大电压($V_{CEO}$)
三极管允许承受的最大集电-发射极电压。

集电-基极最大电压($V_{CBO}$)
三极管允许的最大集电-基极电压。通常，$V_{CBO}$要比$V_{CEO}$大，但也应小于电路中的最大电压。

发射-基极最大电压($V_{EBO}$)

集电极连续电流($I_C$)

集电极-发射极饱和电压($V_{CE(sat)}$)
作开关应用时，关乎三极管的损耗。与实际使用中集电极通过电流相乘，即为三极管实际功耗，需要关注$V_{CE(sat)}-I_C$曲线。

最大功耗($P_d$)
三极管用于大功率应用场合时需要考虑最大功耗$P_d$、芯片内核到芯片外部环境的热阻${\theta }_{JA}$，通过公式$T_J=T_A+P_d\times {\theta }_{JA}$计算芯片温度。
比如封装为SOT23的S8050，最大结温为150${}^{\circ }C$，热阻${\theta }_{JA}$为417${}^{\circ }C/W$。那么当它在30${}^{\circ }C$环境下，以最大电流运行时，结温为155.1${}^{\circ }C$，超过了允许的最大结温。

在需要快速开关的电路中，还需要考虑三极管的截止频率$f_T$。但这种一般考虑使用MOSFET，开关损耗更低，允许的开关频率更高。

三极管电路

作开关电路

用PNP型来控制接VCC的引线，低电平打开，用NPN型的晶体管来控制接地的引线，高电平打开。

推挽输出

逻辑门电路

与门

非门

或门

与非门

或非门

放大电路

共基极

1、输入信号与输出信号同相；

2、电压增益高；

3、电流增益低（≤1）；

4、功率增益高；

5、适用于高频电路。

共集电极

1、输入信号与输出信号同相；

2、无电压放大作用，电压增益小于1且接近于1，因此共集电极电路又有“电压跟随器”之称 ；

3、电流增益高，输入回路中的电流$I_b$远小于输出回路中的电流$I_e$和$I_c$；

4、有功率放大作用；

5、适用于作功率放大和阻抗匹配电路。

6、在多级放大器中常被用作缓冲级和输出级。

共发射集

1、输入信号与输出信号反相；

2、有电压放大作用；

3、有电流放大作用；

4、功率增益最高（与共集电极、共基极比较）；

5、适用于电压放大与功率放大电路。