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三极管
来源:深圳市赛亿科技开发有限公司作者:日期:2017-11-24 11:37:31点击:195次
三极管,英文名称为Triode,是半导体三极管的简称,又名晶体三极管、双极性晶体管,是一种电路中常见的基本元器件,主要用于完成对微弱信号的放大作用,由巴丁、布莱顿、肖克莱三位博士于1947年研制成功,三极管的出现,带动了半导体电子工业的发展,也使得集成电路、大规模集成电路逐步出现并得到广泛应用。
 
中文名 外文名 材料 应用领域
三极管 Bipolar Junction Transistor 半导体 实现电流放大
 
目录
 
1、三极管简介
2、三极管的原理
3、三极管的作用
4、三极管的主要参数
5、三极管的种类与结构
6、三极管的材料
7、三极管的封装形式和管脚识别
8、三极管的特性曲线
9、检测三极管的口诀
10、三极管的发明
 
 
 
三极管简介:
三极管的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结叫集电极。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。
 
 
三极管的原理:
三极管是由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、基极b和集电极。
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Ebo。
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,由于发射结正确,发射区的多数载流子(电子)极基区的多数载流子(控穴)很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散,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流Ie。
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集电流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重新补纪念给,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:β--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。
 
三极管的作用:
放大作用,它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号,当然这种转换仍然遵循能量守恒,它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。当三极管的基极上加一个微小的电流时,在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流,即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化,并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化,这就是三极管的放大作用。
 
三极管的主要参数:
4.1直流参数
4.1.1集电极一基极反向饱和电流Icbo,发射极开路(Ie=0)时,基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb时的集电极反向电流,它只与温度有关,在一定温度下是个常数,所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管,Icbo很小,小功率锗管的Icbo约为1~10微安,大功率锗管的Icbo可达数毫安培,而硅管的Icbo则非常小,是毫微安级。
4.1.2集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流)基极开路(Ib=0)时,集电极和发射极之间加上规定反向电压Vce时的集电极电流。 Iceo大约是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)Icbo o Icbo和Iceo受温度影响极大,它们是衡量管子热稳定性的重要参数,其值越小,性能越稳定,小功率锗管的Iceo比硅管大。
4.1.3发射极---基极反向电流Iebo集电极开路时,在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流,它实际上是发射结的反向饱和电流。
4.1.4直流电流放大系数β1(或hEF)这是指共发射接法,没有交流信号输入时,集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值,即:
β1=Ic/Ib
4.2交流参数
4.2.1交流电流放大系数β(或hfe)这是指共发射极接法,集电极输出电流的变化量△Ic与基极输入电流的变化量△Ib之比,即:
β= △Ic/△Ib
一般电晶体的β大约在10-200之间,如果β太小,电流放大作用差,如果β太大,电流放大作用虽然大,但性能往往不稳定。
4.2.2共基极交流放大系数α(或hfb)这是指共基接法时,集电极输出电流的变化是△Ic与发射极电流的变化量△Ie之比,即:
α=△Ic/△Ie
因为△Ic<△Ie,故α<1。高频三极管的α>0.90就可以使用
α与β之间的关系:
α= β/(1+β)
β= α/(1-α)≈1/(1-α)
4.2.3截止频率fβ、fα当β下降到低频时0.707倍的频率,就什发射极的截止频率fβ;当α下降到低频时的0.707倍的频率,就什基极的截止频率fαo fβ、 fα是表明管子频率特性的重要参数,它们之间的关系为:
fβ≈(1-α)fα
4.2.4特征频率fT因为频率f上升时,β就下降,当β下降到1时,对应的fT是全面地反映电晶体的高频放大性能的重要参数。
4.3极限参数
4.3.1集电极最大允许电流ICM当集电极电流Ic增加到某一数值,引起β值下降到额定值的2/3或1/2,这时的Ic值称为ICM。所以当Ic超过ICM时,虽然不致使管子损坏,但β值显著下降,影响放大品质。
4.3.2集电极----基极击穿电压BVCBO当发射极开路时,集电结的反向击穿电压称为BVEBO。
4.3.3发射极-----基极反向击穿电压BVEBO当集电极开路时,发射结的反向击穿电压称为BVEBO。
4.3.4集电极-----发射极击穿电压BVCEO当基极开路时,加在集电极和发射极之间的最大允许电压,使用时如果Vce>BVceo,管子就会被击穿。
4.3.5集电极最大允许耗散功率PCM集电流过Ic,温度要升高,管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积,即Pc=Uce×Ic.使用时庆使Pc
PCM与散热条件有关,增加散热片可提高PCM。
 
三极管的种类与结构:
三极管分很多种,按功率大小可分为大功率管和小功率管;按电路中的工作频率可分为高频管和低频管;按半导体材料不同可分为硅管和锗管;按结构不同可分为NPN管和PNP管。无论是NPN型还是PNP型都分为三个区,分别称为发射区、基区和集电区,由三个区各引出一个电极,分别称为发射极(E)、基极(B)和集电极(C),发射区和基区之间的PN结称为发射结,集电区和基区之间的PN结称为集电结。其中发射极箭头所示方向表示发射极电流的流向。在电路中,晶体管用字符T表示。具有电流放大作用的三极管,在内部结构上具有其特殊性,这就是:其一是发射区掺杂浓度大于集电区掺杂浓度,集电区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度;其二是基区很薄,一般只有几微米。这些结构上的特点是三极管具有电流放大作用的内在依据。 
 
三极管的材料:
三极管的材料有锗材料和硅材料。它们之间最大的差异就是起始电压不一样。锗管PN结的导通电压为0.2V左右,而硅管PN结的导通电压为0.6~0.7V。在放大电路中如果用同类型的锗管代换同类型的硅管,或用同类型的硅管代换同类型的锗管一般是可以的,但都要在基极偏置电压上进行必要的调整,因为它们的起始电压不一样。但在脉冲电路和开关电路中不同材料的三极管是否能互换必须具体分析,不能盲目代换。
 
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。对于小功率金属封装三极管,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。
目前,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。
 
 
三极管的特性曲线:
三极管的特性曲线是用来表示各个电极间电压和电流之间的相互关系的,它反映出三极管的性能,是分析放大电路的重要依据。特性曲线可由实验测得,也可在晶体管图示仪上直观地显示出来。
8.1.输入特性曲线
晶体管的输入特性曲线表示了VCE为参考变量时,IB和VBE的关系。
图1是三极管的输入特性曲线,由图可见,输入特性有以下几个特点:
 
8.1.1输入特性也有一个“死区”。在“死区”内,VBE虽已大于零,但IB几乎仍为零。当VBE大于某一值后,IB才随VBE增加而明显增大。和二极管一样,硅晶体管的死区电压VT(或称为门槛电压)约为0.5V,发射结导通电压VBE =(0.6~0.7)V;锗晶体管的死区电压VT约为0.2V,导通电压约(0.2~0.3)V。若为PNP型晶体管,则发射结导通电压VBE分别为(-0.6 ~ -0.7)V和(-0.2~ -0.3)V。
8.1.2一般情况下,当VCE >1V以后,输入特性几乎与VCE=1V时的特性重合,因为VCE >1V后,IB无明显改变了。晶体管工作在放大状态时,VCE总是大于1V的(集电结反偏),因此常用VCE≥1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。
 
8.2.输出特性曲线
 
晶体管的输出特性曲线表示以IB为参考变量时,IC和VCE的关系,即:
图2是三极管的输出特性曲线,当IB改变时,可得一组曲线族,由图可见,输出特性曲线可分放大、截止和饱和三个区域。
8.2.1 截止区 :IB = 0的特性曲线以下区域称为截止区。在这个区域中,集电结处于反偏,VBE≤0发射结反偏或零偏,即VC>VE≧VB。电流IC很小,(等于反向穿透电流ICEO)工作在截止区时,晶体管在电路中犹如一个断开的开关。
8.2.2饱和区 :特性曲线靠近纵轴的区域是饱和区。当VCEVC>VE。在饱和区IB增大,IC几乎不再增大,三极管失去放大作用。规定VCE=VBE时的状态称为临界饱和状态,用VCES表示,此时集电极临界饱和电流。
 
 
检测三极管的口诀:
三极管的管型及管脚的判别是电子技术初学者的一项基本功,为了帮助读者迅速掌握测判方法,笔者总结出四句口诀:“三颠倒,找基极;PN结,定管型;顺箭头,偏转大;测不准,动嘴巴。”下面让我们逐句进行解释吧。
9.1. 三颠倒,找基极
大家知道,三极管是含有两个PN结的半导体器件。根据两个PN结连接方式不同,可以分为NPN型和PNP型两种不同导电类型的三极管。
测试三极管要使用万用电表的欧姆挡,并选择R×100或R×1k挡位。
假定我们并不知道被测三极管是NPN型还是PNP型,也分不清各管脚是什么电极。测试的第一步是判断哪个管脚是基极。这时,我们任取两个电极(如这两个电极为1、2),用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻,观察表针的偏转角度;接着,再取1、3两个电极和2、3两个电极,分别颠倒测量它们的正、反向电阻,观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测量中,必然有两次测量结果相近:即颠倒测量中表针一次偏转大,一次偏转小;剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小,这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。9.2. PN结,定管型
找出三极管的基极后,我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。将万用表的黑表笔接触基极,红表笔接触另外两个电极中的任一电极,若表头指针偏转角度很大,则说明被测三极管为NPN型管;若表头指针偏转角度很小,则被测管即为PNP型。
9.3.顺箭头,偏转大
找出了基极b,另外两个电极哪个是集电极c,哪个是发射极e呢?这时我们可以用测穿透电流ICEO的方法确定集电极c和发射极e。
9.3.1对于NPN型三极管,穿透电流的测量电路。根据这个原理,用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec,虽然两次测量中万用表指针偏转角度
都很小,但仔细观察,总会有一次偏转角度稍大,此时电流的流向一定是:黑表笔→c极→b极→e极→红表笔,电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致(“顺箭头”),所以此时黑表笔所接的一定是集电极c,红表笔所接的一定是发射极e。
9.3.2 对于PNP型的三极管,道理也类似于NPN型,其电流流向一定是:黑表笔→e极→b极→c极→红表笔,其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致,所以此时黑表笔所接的一定是发射极e,红表笔所接的一定是集电极c。
9.4. 测不出,动嘴巴
若在“顺箭头,偏转大”的测量过程中,若由于颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时,就要“动嘴巴”了。具体方法是:在“顺箭头,偏转大”的两次测量中,用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部,用嘴巴含住(或用舌头抵住)基电极b,仍用“顺箭头,偏转大”的判别方法即可区分开集电极c与发射极e。其中人体起到直流偏置电阻的作用,目的是使效果更加明显。
 
三极管的发明:
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。
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。