三极管的学习和理解一直是个难点,电路的尽头总是二极管、三极管、MOSFET管,可是对三极管的认识也是一知半解,经过一段时间痛苦的学习,现在稍微总结一下,理解也许会有偏差,希望各位同行一起讨论学习。
三极管基础知识
三极管又叫晶体管、半导体三极管,是在同一个硅片上制造三个掺杂区域,并形成两个PN结,一般是NPN结或者PNP结。
PN结的理解:P是Positive的缩写,表示正极(+),N是Negative的缩写,表示负极(-)。电流的方向是从正极流向负极,+→-,所以当P电压高、N电压低时就是正向偏置,反之为反向偏置。三极管符号中发射极的箭头就表示从P→N,这样就容易区分谁是P极谁是N极,也容易辨别当前的三极管是NPN型还是PNP型。
三极管的三个极的理解:三极管内部分为三个区,分别为基区(Basic),简写为B;集电区(Collect),简写为C;发射极(Emit),简写E,在图中为画有箭头的一极。基区很薄且掺杂浓度低,发射区掺杂浓度高,集电区是面积很大。
三极管为啥这么重要呢?
因为三极管具有电流放大作用,能把微弱的信号进行放大,提高后端的带载驱动能力,是很多集成电路的关键器件。
常见的三极管外形
三极管的结构和符号
三极管的输入特性(已理解的可直接看输出特性)
在学习了解三极管的特性曲线时,以NPN型硅管为例。
输入特性的定义:Uce不变的情况下,基极电流Ib与Ube之间的函数变化关系。
输入特性曲线
Ube电压克服掉PN结的死区电压之后,随着Ube的增加,基极电流Ib会急速增大,但是△Ube(Ube的变化量不会很大),而且对于硅管而言,Ube的启动电压在0.6~0.8V左右,一般取0.7V。
三极管的输入特性理解起来比较容易。
三极管的输出特性,重要且难
三极管的输出特性理解起来比较困难,这一节我们采用通俗的比喻来理解,请大家耐心往下看。
三极管输出特性定义:当基极电流Ib为一常数时,集电极电流Ic与管压降Uce之间的函数关系。
三极管的输出特性曲线
对于每个确定的Ib,都有一条确定的输出特性曲线,所以输出特性是一组曲线。
从图中可以看出,三极管有三个工作区域:截止区、放大区和饱和区。三个区的典型特征如下:
1)截止区:Ube<Uon且Uce>Ube,即发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置,表现为三极管断路。
三极管通俗的理解:假如我们要打开水龙头获得较大的水流,那么Ube就是我们拧水龙头使用的力气,Ic就是我们最终需要的大水流。三极管就是实现用较小的力气获得很大的水流。
截止区的理解就像一个特别小的孩子去拧水龙头,虽然水压是足够的(Uce>Ube),但是他没有力气把水龙头打开(Ube太小了),所以也不会有大的水流流出来,整个水流回路仍然是断开的。
2)放大区:Ube>Uon且Uce>Ube,即发射结电压大于开启电压且集电结反向偏置,表现为三极管处通路,此时Ic几乎仅取决于Ib,即 Ic=βIb。
放大区的通俗理解:水压足够大(Uce>Ube),且拧水龙头的力气也够大,当力气(Ube或Ib)固定时,水流也是固定的;随着力气的增大(Ube增大,Ib也增大),水流也增大(Ic)。
3)饱和区:Ube>Uon且Uce<Ube,即发射结和集电结均是正向偏置,此时Ube增大时,Ib随之增大,但是Ic增大不多或基本不变。表现为三极管的Ucb约为0,三极管整个压降Uce约为0.7V,可看做是短路。
饱和区
饱和区的通俗理解:因为水压很小(Uce<Ube),即使拧水龙头的力气再大(Ube很大,Ib也足够大),最终的水流也不会很大。当然Uce也是有最初的线性变化过程的,在最开始Uce慢慢变大的过程中,水流Ic也会慢慢变大,但是Uce达不到放大区的临界值时,水流Ic永远不会大过放大区的值。
三极管的应用
正是因为三极管输出有三个工作区域,所以针对不同的区域就会有不同的工程应用。
放大区主要用于电流等微弱信号的放大,通常应用于各类集成电路中,例如集成运放和集成芯片等。
截止区和饱和区常常用于开关作用,例如光耦的应用等。
华为5G芯片内含103亿个晶体管
如上图,将103亿个晶体管集成在如此小的芯片中,国产化这条路很难走,缺的不是原理不是设计,缺的是工艺啊!
什么时候我们也能够实现芯片自由啊?(质量、管理和价格方面)