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发布于:2020-01-15 21:14
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三极管

[sān jí guǎn]  

三极管

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三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管晶体三极管,是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号,也用作无触点开关。
三极管是半导体基本元器件之一,具有电流放大作用,是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,排列方式有PNP和NPN.

基本释义

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三极管 [1]  (也称晶体管)在中文含义里面只是对三个引脚的放大器件的统称,我们常说的三极管,可能是 如图所示的几种器件。
可以看到,虽然都叫三极管,其实在英文里面的说法是千差万别的,三极管这个词汇其实也是中文特有的一个象形意义上的的词汇。
“Triode”(电子三极管)这个是英汉词典里面 “三极管” 的唯一英文翻译,与电子三极管初次出现有关,是真正意义上的三极管这个词最初所指的物品。其余的在中文里称作三极管的器件,实际翻译时不可以翻译成Triode。
电子三极管 Triode (俗称电子管的一种)
双极型晶体管 BJT (Bipolar Junction Transistor)
J型场效应管 Junction gate FET(Field Effect Transistor)
金属氧化物半导体场效应晶体管 MOS FET ( Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistor)英文全称
V型槽场效应管 VMOS (Vertical Metal Oxide Semiconductor )
注:这三者看上去都是场效应管,其实金属氧化物半导体场效应晶体管 、V型槽沟道场效应管 是 单极(Unipolar)结构的,是和 双极(Bipolar)是对应的,所以也可以统称为单极晶体管(Unipolar Junction Transistor)。
其中J型场效应管是非绝缘型场效应管,MOS FET 和VMOS都是绝缘型的场效应管。
VMOS是在 MOS的基础上改进的一种大电流,高放大倍数(跨道)新型功率晶体管,区别就是使用了V型槽,使MOS管的放大系数和工作电流大幅提升,但是同时也大幅增加了MOS的输入电容,是MOS管的一种大功率改进型产品,但是结构上已经与传统的MOS发生了巨大的差异。VMOS只有增强型的而没有MOS所特有的耗尽型的MOS管。

发展历史

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1947年12月23日,美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里,3位科学家——巴丁博士、布莱顿博士和肖克莱博士在紧张而又有条不紊地做着实验。他们在导体电路中正在进行用半导体晶体把声音信号放大的实验。3位科学家惊奇地发现,在他们发明的器件中通过的一部分微量电流,竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流,因而产生了放大效应。这个器件,就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管。因它是在圣诞节前夕发明的,而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响,所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。这3位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖
[2]  新研究发现,在晶体管电子流出端的衬底外,沉积一层对应材料,能形成一个半导体致冷P-N结构,因为N材料的电子能级低,P材料的电子能级高,当电子流过时,需要从衬底吸入热量,这就为晶体管核心散热提供一个很好的途径。因为带走的热量会与电流的大小成正比例,业内也称形象地把这个称为“电子血液”散热技术。根据添加新材料的极性位置不同,新的致冷三极管分别叫做N-PNP或NPN-P。
晶体管促进并带来了“固态革命”,进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件,它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用,并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构,集成电路以及大规模集成电路应运而生,这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。

工作原理

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理论原理

晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种:锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式,但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管,(其中,N是负极的意思(代表英文中Negative),N型半导体在高纯度硅中加入磷取代一些硅原子,在电压刺激下产生自由电子导电,而P是正极的意思(Positive)是加入硼取代硅,产生大量空穴利于导电)。两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的,下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管,它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成,发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e (Emitter)、基极b (Base)和集电极c (Collector)。如右图所示
当b点电位高于e点电位零点几伏时,发射结处于正偏状态,而C点电位高于b点电位几伏时,集电结处于反偏状态,集电极电源Ec要高于基极电源Eb。
在制造三极管时,有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的,同时基区做得很薄,而且,要严格控制杂质含量,这样,一旦接通电源后,由于发射结正偏,发射区的多数载流子(电子)及基区的多数载流子(空穴)很容易地越过发射结互相向对方扩散,但因前者的浓度基大于后者,所以通过发射结的电流基本上是电子流,这股电子流称为发射极电子流。
由于基区很薄,加上集电结的反偏,注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic,只剩下很少(1-10%)的电子在基区的空穴进行复合,被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给,从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得:
Ie=Ib+Ic
这就是说,在基极补充一个很小的Ib,就可以在集电极上得到一个较大的Ic,这就是所谓电流放大作用,Ic与Ib是维持一定的比例关系,即:
β1=Ic/Ib
式中:β1--称为直流放大倍数,
集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为:
β= △Ic/△Ib
式中β--称为交流电流放大倍数,由于低频时β1和β的数值相差不大,所以有时为了方便起见,对两者不作严格区分,β值约为几十至一百多。
α1=Ic/Ie(Ic与Ie是直流通路中的电流大小)
式中:α1也称为直流放大倍数,一般在共基极组态放大电路中使用,描述了射极电流与集电极电流的关系。
α =△Ic/△Ie
表达式中的α为交流共基极电流放大倍数。同理α与α1在小信号输入时相差也不大。
对于两个描述电流关系的放大倍数有以下关系
三极管的电流放大作用实际上是利用基极电流的微小变化去控制集电极电流的巨大变化。 [3] 
三极管是一种电流放大器件,但在实际使用中常常通过电阻将三极管的电流放大作用转变为电压放大作用。

放大原理

1、发射区向基区发射电子
电源Ub经过电阻Rb加在发射结上,发射结正偏,发射区的多数载流子(自由电子)不断地越过发射结进入基区,形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散,但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度,可以不考虑这个电流,因此可以认为发射结主要是电子流。
2、基区中电子的扩散与复合
电子进入基区后,先在靠近发射结的附近密集,渐渐形成电子浓度差,在浓度差的作用下,促使电子流在基区中向集电结扩散,被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子(因为基区很薄)与基区的空穴复合,扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。
3、集电区收集电子
由于集电结外加反向电压很大,这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散,同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子(空穴)也会产生漂移运动,流向基区形成反向饱和电流,用Icbo来表示,其数值很小,但对温度却异常敏感。

产品分类

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a.按材质分: 硅管、锗管
b.按结构分: NPN 、 PNP。如图所示。
c.按功能分: 开关管、功率管、达林顿管、光敏管等.
d. 按功率分:小功率管、中功率管、大功率管
e.按工作频率分:低频管、高频管、超频管
f.按结构工艺分:合金管、平面管
g.按安装方式:插件三极管、贴片三极管

产品参数

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特征频率

当f= fT时,三极管完全失去电流放大功能。如果工作频率大于fT,电路将不正常工作。
fT称作增益带宽积,即fT=βfo。若已知当前三极管的工作频率fo以及高频电流放大倍数,便可得出特征频率fT。随着工作频率的升高,放大倍数会下降.fT也可以定义为β=1时的频率.

电压/电流

用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围。

hFE

电流放大倍数。

VCEO

集电极发射极反向击穿电压,表示临界饱和时的饱和电压。

PCM

最大允许耗散功率。

封装形式

指定该管的外观形状,如果其它参数都正确,封装不同将导致组件无法在电路板上实现。

判断类型

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三极管的脚位判断,三极管的脚位有两种封装排列形式,如右图:
三极管是一种结型电阻器件,它的三个引脚都有明显的电阻数据,测试时(以数字万用表为例,红笔+,黒笔-)我们将测试档位切换至 二极管档 (蜂鸣档)标志符号如右图:
正常的NPN结构三极管的基极(B)对集电极(C)、发射极(E)的正向电阻是430Ω-680Ω(根据型号的不同,放大倍数的差异,这个值有所不同)反向电阻无穷大;正常的PNP 结构的三极管的基极(B)对集电极(C)、发射极(E)的反向电阻是430Ω-680Ω,正向电阻无穷大。集电极C对发射极E在不加偏流的情况下,电阻为无穷大。基极对集电极的测试电阻约等于基极对发射极的测试电阻,通常情况下,基极对集电极的测试电阻要比基极对发射极的测试电阻小5-100Ω左右(大功率管比较明显),如果超出这个值,这个元件的性能已经变坏,请不要再使用。如果误使用于电路中可能会导致整个或部分电路的工作点变坏,这个元件也可能不久就会损坏,大功率电路和高频电路对这种劣质元件反应比较明显。
尽管封装结构不同,但与同参数的其它型号的管子功能和性能是一样的,不同的封装结构只是应用于电路设计中特定的使用场合的需要。
要注意有些厂家生产一些不规范元件,例如C945正常的脚位是BCE,但有的厂家出的此元件脚位排列却是EBC,这会造成那些粗心的工作人员将新元件在未检测的情况下装入电路,导致电路不能工作,严重时烧毁相关联的元器件,比如电视机上用的开关电源。
在我们常用的万用表中,测试三极管的脚位排列图:
先假设三极管的某极为“基极”,将黑表笔接在假设基极上,再将红表笔依次接到其余两个电极上,若两次测得的电阻都大(约几K到几十K),或者都小(几百至几K),对换表笔重复上述测量,若测得两个阻值相反(都很小或都很大),则可确定假设的基极是正确的。否则另假设一极为“基极”,重复上述测试,以确定基极。
当基极确定后,将黑表笔接基极,红表笔接其它两极若测得电阻值都很少,则该三极管为NPN,反之为PNP。
判断集电极C和发射极E,以NPN为例:
把黑表笔接至假设的集电极C,红表笔接到假设的发射极E,并用手捏住B和C极,读出表头所示C,E电阻值,然后将红、黑表笔反接重测。若第一次电阻比第二次小,说明原假设成立。

结构类型

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晶体三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,排列方式有PNP和NPN两种。
从三个区引出相应的电极,分别为基极b发射极e和集电极c。
发射区和基区之间的PN结叫发射结,集电区和基区之间的PN结叫集电结。基区很薄,而发射区较厚,杂质浓度大,PNP型三极管发射区"发射"的是空穴,其移动方向与电流方向一致,故发射极箭头向里;NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子,其移动方向与电流方向相反,故发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。
三极管的封装形式和管脚识别
常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类,引脚的排列方式具有一定的规律,
底视图位置放置,使三个引脚构成等腰三角形的顶点上,从左向右依次为e b c;对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己,三个引脚朝下放置,则从左到右依次为e b c。
国内各种类型的晶体三极管有许多种,管脚的排列不尽相同,在使用中不确定管脚排列的三极管,必须进行测量确定各管脚正确的位置,或查找晶体管使用手册,明确三极管的特性及相应的技术参数和资料。


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