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)論壇和學習網(wǎng)站上都有許多關(guān)于三極管的知識，今天我們就來簡單聊聊三極管的基礎(chǔ)知識。

1、基本原理

按照高校教科書的官方知識結(jié)構(gòu)，會首先介紹三極管的結(jié)構(gòu)，載流子，空穴的流動、擴散等物理層的原理，這些知識對于理解三極管的原理是比較嚴謹?shù)模彩腔逎?。所以，我們并不打算嚴謹?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)實生活中的應用來介紹。

現(xiàn)在有這么一個水流控制器，它有如下特點；

1）它有三個端口：B（基極）、C（集電極）、E（發(fā)射極）；

2）每個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。也就這個水流控制器總是滿足ib+ic=ie；

4）聯(lián)動裝置：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，并不是實際ic的大小，實際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。

這么一個聯(lián)動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

截止狀態(tài)： 當Vbe為零，或者Vbe是上負下正的電壓（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，ic都幾乎為0，此時ice之間沒有電流流過，相當于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通，否則就是截止）

**導通狀態(tài)：**當Vbe有正電壓，也就是上正下負的電壓（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ic的電流通路就是打開的。此時，我們稱三極管處于導通狀態(tài)。但導通狀態(tài)又可以細分為兩種狀態(tài)。

放大導通狀態(tài) ：此時，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。

**飽和導通狀態(tài)：**當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，此時就可以說三極管進入飽和導通狀態(tài)，此時ib繼續(xù)增大，但ic不會再增加了，因為它沒這能力了。換句話說，在三極管導通狀態(tài)下，ib決定了ic的上限能力，但實際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，它的原理可以對比理解，如下圖所示。

2、三極管的應用

三極管有三個工作狀態(tài)：截止、放大、飽和。其中放大狀態(tài)有很多學問，三極管要處于放大狀態(tài)需要精心設(shè)計各種外圍參數(shù)，很復雜，很難掌握，多用于集成芯片內(nèi)部設(shè)計，人們?yōu)榱撕喕O(shè)計，把這種復雜的電路設(shè)計都打包處理了，變成了現(xiàn)在的集成運放，我們在此不做深入討論，現(xiàn)在僅僅討論三極管的另外兩種狀態(tài)：截止狀態(tài)和飽和導通狀態(tài)。其實，這就是開關(guān)的兩種狀態(tài)，開或者關(guān)。

當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通狀態(tài)。如果是飽和導通，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極一個已知邏輯狀態(tài)，防止控制輸入端懸空或高阻態(tài)時對三極管工作狀態(tài)的不確定。

可能有人問，既然S4本身就是一個開關(guān)，為何還要用三極管做開關(guān)呢？而且這個開關(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)字電路的信號輸出端口，驅(qū)動輸出電流能力不強，如果負載是一個需要大電流的器件，信號端口輸出的高電平很可能因為輸出電流不足，導致電壓不穩(wěn)定。但如果通過一個三極管，用信號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問題。三極管就是一個杠桿，能夠用小信號撬動大信號。

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

三極管的應用電路太多了，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，但無論哪種應用，三極管的工作狀態(tài)都只有截止、放大和飽和導通這三種狀態(tài)。

3、 數(shù)據(jù)手冊解讀

這是MMBT5551(NPN）三極管的數(shù)據(jù)手冊。

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會有1mA的電流路過，就表示集電極與發(fā)射極擊穿。因為正常使用ib=0，Vce無論給多大，三極管都應該是截止的，但實際情況是Vce超過了160V，相當于外界壓力太大，管子即使關(guān)閉了也抗不住，多少會漏點出來。

Vebo=6V，指集電極開路(ic=0)的情況下，給E、B兩端加6V電壓，就會導致漏流存在。三極管的B、E就可以當一個二極管來用，但這個二極管的反相耐壓有點低，只有6V，這受限于三極管的工藝。雖然BE這個發(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，也是一個意思，它相當于二極管的管壓降。

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

還有一個重要參數(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)計需要估算Ic的最大電流，如果ic太大，可能就會導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（6inch wafer轉(zhuǎn)8inch wafer）及封裝小型化及表貼化上。另外，相對普通三極管，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，對于多管應用，優(yōu)先考慮雙管封裝如SOT363及SOT563

3）對于開關(guān)應用場景，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。