如果說R、C、L屬于分離電路的基礎(chǔ)元件，那么二極管、三極管、MOS管就屬于集成電路的基礎(chǔ)元件。各種技術(shù)論壇和學(xué)習(xí)網(wǎng)站上都有許多關(guān)于三極管的知識(shí)，今天我們就來簡單聊聊三極管的基礎(chǔ)知識(shí)。

1、基本原理

按照高校教科書的官方知識(shí)結(jié)構(gòu)，會(huì)首先介紹三極管的結(jié)構(gòu)，載流子，空穴的流動(dòng)、擴(kuò)散等物理層的原理，這些知識(shí)對(duì)于理解三極管的原理是比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，但也是晦澀的。所以，我們并不打算?yán)謹(jǐn)?shù)赜媒炭茣姆绞絹斫榻B三極管的基本原理，而是用更貼近現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用來介紹。

現(xiàn)在有這么一個(gè)水流控制器，它有如下特點(diǎn)；

1）它有三個(gè)端口：B（基極）、C（集電極）、E（發(fā)射極）；

2）每個(gè)端口水流方向是固定的：B，C是流入口，E是流出口；水流方向是固定不變的，可以沒有水流，但不能倒流。

3）水流大小有區(qū)別：B端口是小水流入水口，C端口是大水流入水口，E是總的水流出口。也就這個(gè)水流控制器總是滿足ib+ic=ie；

4）聯(lián)動(dòng)裝置：水流ib的大小，決定著水流ic的通流能力大小。

注意這里的表述是通流能力的大小，并不是實(shí)際ic的大小，實(shí)際ic的大小與ic的外界水壓有關(guān)系。反過來，也就可以說水流ib的大小控制ic水流的上限。哪怕外界給C端口水壓再高，水流ic也受限于ib的大小。

這么一個(gè)聯(lián)動(dòng)水流控制器如下圖所示，它就是NPN型三極管的模型。

2、 三極管的三種工作狀態(tài)：截止、放大、飽和

截止?fàn)顟B(tài)： 當(dāng)Vbe為零，或者Vbe是上負(fù)下正的電壓（與期望的ib電流方向相反），那么無論外界給Vce多大的壓力，無論正負(fù)，ic都幾乎為0，此時(shí)ice之間沒有電流流過，相當(dāng)于ice的電流通路是關(guān)閉的。（不用關(guān)心什么集電極，發(fā)射結(jié)正偏，反偏的問題，甚至都不用知道三極管內(nèi)部有集電結(jié)，發(fā)射結(jié)的概念，這些概念并不幫助我理解，那就選擇忽略掉，只用知道電流的流向與外界期望電壓要一致就能導(dǎo)通，否則就是截止）

**導(dǎo)通狀態(tài)：**當(dāng)Vbe有正電壓，也就是上正下負(fù)的電壓（與期望的ib電流方向一致），且外界提供給Vce也是正向電壓，此時(shí)ic的電流通路就是打開的。此時(shí)，我們稱三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。但導(dǎo)通狀態(tài)又可以細(xì)分為兩種狀態(tài)。

放大導(dǎo)通狀態(tài) ：此時(shí)，ic=βib，也是ic的電流隨著ibe的增大而增大，減小而減小。ib如果很小，即使增大Vce，ic也幾乎不變。β通常是幾十倍到幾百倍。什么情況下處于放大導(dǎo)通，ic與ibe滿足β倍關(guān)系呢？那就是ib不能太大了，如果ib太大了，要滿足β倍關(guān)系，那么ic就必須非常大，但ic是受限于外界壓力，也就是Vce如果不能提供那么大的ic電流，即使ib再大，也不能滿足β倍關(guān)系。

**飽和導(dǎo)通狀態(tài)：**當(dāng)ib足夠大，且ic電流因受限于外界電路，不能提供更大的電流，此時(shí)就可以說三極管進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)ib繼續(xù)增大，但ic不會(huì)再增加了，因?yàn)樗鼪]這能力了。換句話說，在三極管導(dǎo)通狀態(tài)下，ib決定了ic的上限能力，但實(shí)際ic的大小受限于外界的壓力大小。

這就是NPN型三極管的工作原理，除了NPN型還有PNP型，它的原理可以對(duì)比理解，如下圖所示。

2、三極管的應(yīng)用

三極管有三個(gè)工作狀態(tài)：截止、放大、飽和。其中放大狀態(tài)有很多學(xué)問，三極管要處于放大狀態(tài)需要精心設(shè)計(jì)各種外圍參數(shù)，很復(fù)雜，很難掌握，多用于集成芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)，人們?yōu)榱撕喕O(shè)計(jì)，把這種復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)都打包處理了，變成了現(xiàn)在的集成運(yùn)放，我們?cè)诖瞬蛔錾钊胗懻?，現(xiàn)在僅僅討論三極管的另外兩種狀態(tài)：截止?fàn)顟B(tài)和飽和導(dǎo)通狀態(tài)。其實(shí)，這就是開關(guān)的兩種狀態(tài)，開或者關(guān)。

當(dāng)S4按下，Vbe的電壓方向與ibe的電流方向一致，且Vce的電壓也與ice的電流方向一致，那么三極管就處于導(dǎo)通狀態(tài)。如果是飽和導(dǎo)通，Vce的壓降基本就在0.3V 左右，那么R5的壓降就在4.7V，Vout輸出低電平。當(dāng)S4彈起，Vbe沒有壓降，三極管就截止，沒有電流從CE極流過，那么Vout=5V輸出高電平。

三極管b極加一個(gè)下拉電阻（2~10k），一是為了保證b、e極間電容加速放電，加快三極管截止；二是為了保證給三極管b極一個(gè)已知邏輯狀態(tài)，防止控制輸入端懸空或高阻態(tài)時(shí)對(duì)三極管工作狀態(tài)的不確定。

可能有人問，既然S4本身就是一個(gè)開關(guān)，為何還要用三極管做開關(guān)呢？而且這個(gè)開關(guān)還是反相的，這不是脫了褲子放屁——多此一舉？

通常S4左邊的開關(guān)是數(shù)字電路的信號(hào)輸出端口，驅(qū)動(dòng)輸出電流能力不強(qiáng)，如果負(fù)載是一個(gè)需要大電流的器件，信號(hào)端口輸出的高電平很可能因?yàn)檩敵鲭娏鞑蛔?，?dǎo)致電壓不穩(wěn)定。但如果通過一個(gè)三極管，用信號(hào)端口的小電流控制電源的大電流的方式就能很好地解決這個(gè)問題。三極管就是一個(gè)杠桿，能夠用小信號(hào)撬動(dòng)大信號(hào)。

順便提一句，所有放大電路的特性都不是真的把小信號(hào)放大了，眾所周知，能量是守恒的，放大電路的本質(zhì)是用小信號(hào)控制外部電源，讓外部電源模擬出小信號(hào)的特性輸出一個(gè)大信號(hào)，從外部看仿佛是把小信號(hào)放大了，其實(shí)輸出的大信號(hào)是電源提供的，這也是為什么在運(yùn)放電路設(shè)計(jì)中提供一個(gè)穩(wěn)定的電源很重要的原因。

三極管的應(yīng)用電路太多了，除了上面提到的開關(guān)作用，還可以和其他器件構(gòu)成恒壓源，恒流源，但無論哪種應(yīng)用，三極管的工作狀態(tài)都只有截止、放大和飽和導(dǎo)通這三種狀態(tài)。

3、 數(shù)據(jù)手冊(cè)解讀

這是MMBT5551(NPN）三極管的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

Vcbo=180V，什么意思呢？集電極與基極的反向擊穿電壓，測試條件是當(dāng)發(fā)射集開路(ic=0)的情況下，給C、B兩端加180V電壓，ic上面有漏流100uA就認(rèn)為Vcbo擊穿了。

Vceo=160V ，指在基極開路（Ib=0)的情況下，給C、E兩端加160V電壓，ic會(huì)有1mA的電流路過，就表示集電極與發(fā)射極擊穿。因?yàn)檎Ｊ褂胕b=0，Vce無論給多大，三極管都應(yīng)該是截止的，但實(shí)際情況是Vce超過了160V，相當(dāng)于外界壓力太大，管子即使關(guān)閉了也抗不住，多少會(huì)漏點(diǎn)出來。

Vebo=6V，指集電極開路(ic=0)的情況下，給E、B兩端加6V電壓，就會(huì)導(dǎo)致漏流存在。三極管的B、E就可以當(dāng)一個(gè)二極管來用，但這個(gè)二極管的反相耐壓有點(diǎn)低，只有6V，這受限于三極管的工藝。雖然BE這個(gè)發(fā)射結(jié)的反相耐壓低，但溫度特性好，普通二極管的反相漏流可能隨著溫度增加而增大，但三極管的發(fā)射結(jié)卻漏流很小。所以，在有些電路中，可以用三極管的BE發(fā)射結(jié)，來替代二極管來使用。

Icbo=50nA，是指關(guān)斷情況下的漏流，當(dāng)然是越小越好。

其他需要關(guān)注的是Vcesat，指在一定測試條件下，CE的飽和壓降，同理Vbesat，也是一個(gè)意思，它相當(dāng)于二極管的管壓降。

hFE1是直流放大倍數(shù)，在不同的ic情況下，放大倍數(shù)不同。當(dāng)然，還有頻率特性，輸入輸出電容，噪聲等參數(shù)，在設(shè)計(jì)放大電路中才會(huì)考慮的，我們這里就不再說了。

還有一個(gè)重要參數(shù)，功耗需要關(guān)注。比如貼片三極管，都是在幾百mW，電路設(shè)計(jì)需要估算Ic的最大電流，如果ic太大，可能就會(huì)導(dǎo)致超過管子最大功耗。

4、 選型

行業(yè)發(fā)展總趨勢為：小型化、表貼化，高頻化，高效率化，集成化，綠色化。重點(diǎn)突出小型化和表貼化。近年來，隨著MOSFET的發(fā)展，在低功率高速開關(guān)領(lǐng)域，MOSFET正逐步替代三極管，行業(yè)主流廠家對(duì)三極管的研發(fā)投入也逐年減少，在芯片技術(shù)方面基本沒有投入，器件的技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在晶圓工藝的升級(jí)（6inch wafer轉(zhuǎn)8inch wafer）及封裝小型化及表貼化上。另外，相對(duì)普通三極管，RF三極管的主要發(fā)展方向是低壓電壓供電，低噪聲，高頻及高效。

選型原則如下：

1）禁選處于生命周期末期的插件封裝器件，如TO92

2）優(yōu)選行業(yè)主流小型化表貼器件，如SOT23，STO323，SOT523等，對(duì)于多管應(yīng)用，優(yōu)先考慮雙管封裝如SOT363及SOT563

3）對(duì)于開關(guān)應(yīng)用場景，優(yōu)先考慮選用MOSFET

4）射頻三極管優(yōu)選低電壓供電，低噪聲，高頻及高效器件。