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三極管
來源：作者：日期：2017-11-24 11:37:31點擊：6742次
三極管，英文名稱為Triode，是半導(dǎo)體三極管的簡稱，又名晶體三極管、雙極性晶體管，是一種電路中常見的基本元器件，主要用于完成對微弱信號的放大作用，由巴丁、布萊頓、肖克萊三位博士于1947年研制成功，三極管的出現(xiàn)，帶動了半導(dǎo)體電子工業(yè)的發(fā)展，也使得集成電路、大規(guī)模集成電路逐步出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。
| 中文名 | 外文名 | 材料 | 應(yīng)用領(lǐng)域 |
| 三極管 | Bipolar Junction Transistor | 半導(dǎo)體 | 實現(xiàn)電流放大 |
目錄
1、三極管簡介
2、三極管的原理
3、三極管的作用
4、三極管的主要參數(shù)
5、三極管的種類與結(jié)構(gòu)
6、三極管的材料
7、三極管的封裝形式和管腳識別
8、三極管的特性曲線
9、檢測三極管的口訣
10、三極管的發(fā)明
三極管簡介：
三極管的發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電極?；鶇^(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大，PNP型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里;NPN型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。
三極管的原理：
三極管是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極。
當(dāng)b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。
在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正確，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(電子)極基區(qū)的多數(shù)載流子(控穴)很容易地截越過發(fā)射結(jié)構(gòu)互相向反方各擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流Ie。
由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少(1-10[%])的電子在基區(qū)的空穴進行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補紀(jì)念給，從而形成了基極電流Ibo根據(jù)電流連續(xù)性原理得：
Ie=Ib+Ic
這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：
β1=Ic/Ib
式中：β--稱為直流放大倍數(shù)，
集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：
β= △Ic/△Ib
式中β--稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時β1和β的數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，β值約為幾十至一百多。
三極管的作用：
放大作用，它可以把微弱的電信號變成一定強度的信號，當(dāng)然這種轉(zhuǎn)換仍然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成信號的能量罷了。三極管有一個重要參數(shù)就是電流放大系數(shù)β。當(dāng)三極管的基極上加一個微小的電流時，在集電極上可以得到一個是注入電流β倍的電流，即集電極電流。集電極電流隨基極電流的變化而變化，并且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化，這就是三極管的放大作用。
三極管的主要參數(shù)：
4.1直流參數(shù)
4.1.1集電極一基極反向飽和電流Icbo，發(fā)射極開路(Ie=0)時，基極和集電極之間加上規(guī)定的反向電壓Vcb時的集電極反向電流，它只與溫度有關(guān)，在一定溫度下是個常數(shù)，所以稱為集電極一基極的反向飽和電流。良好的三極管，Icbo很小，小功率鍺管的Icbo約為1～10微安，大功率鍺管的Icbo可達數(shù)毫安培，而硅管的Icbo則非常小，是毫微安級。
4.1.2集電極一發(fā)射極反向電流Iceo(穿透電流)基極開路(Ib=0)時，集電極和發(fā)射極之間加上規(guī)定反向電壓Vce時的集電極電流。 Iceo大約是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)Icbo o Icbo和Iceo受溫度影響極大，它們是衡量管子熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，其值越小，性能越穩(wěn)定，小功率鍺管的Iceo比硅管大。
4.1.3發(fā)射極---基極反向電流Iebo集電極開路時，在發(fā)射極與基極之間加上規(guī)定的反向電壓時發(fā)射極的電流，它實際上是發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。
4.1.4直流電流放大系數(shù)β1(或hEF)這是指共發(fā)射接法，沒有交流信號輸入時，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即：
β1=Ic/Ib
4.2交流參數(shù)
4.2.1交流電流放大系數(shù)β(或hfe)這是指共發(fā)射極接法，集電極輸出電流的變化量△Ic與基極輸入電流的變化量△Ib之比，即：
β= △Ic/△Ib
一般電晶體的β大約在10-200之間，如果β太小，電流放大作用差，如果β太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩(wěn)定。
4.2.2共基極交流放大系數(shù)α(或hfb)這是指共基接法時，集電極輸出電流的變化是△Ic與發(fā)射極電流的變化量△Ie之比，即：
α=△Ic/△Ie
因為△Ic<△Ie，故α<1。高頻三極管的α>0.90就可以使用
α與β之間的關(guān)系：
α= β/(1+β)
β= α/(1-α)≈1/(1-α)
4.2.3截止頻率fβ、fα當(dāng)β下降到低頻時0.707倍的頻率，就什發(fā)射極的截止頻率fβ;當(dāng)α下降到低頻時的0.707倍的頻率，就什基極的截止頻率fαo fβ、 fα是表明管子頻率特性的重要參數(shù)，它們之間的關(guān)系為：
fβ≈(1-α)fα
4.2.4特征頻率fT因為頻率f上升時，β就下降，當(dāng)β下降到1時，對應(yīng)的fT是全面地反映電晶體的高頻放大性能的重要參數(shù)。
4.3極限參數(shù)
4.3.1集電極最大允許電流ICM當(dāng)集電極電流Ic增加到某一數(shù)值，引起β值下降到額定值的2/3或1/2，這時的Ic值稱為ICM。所以當(dāng)Ic超過ICM時，雖然不致使管子損壞，但β值顯著下降，影響放大品質(zhì)。
4.3.2集電極----基極擊穿電壓BVCBO當(dāng)發(fā)射極開路時，集電結(jié)的反向擊穿電壓稱為BVEBO。
4.3.3發(fā)射極-----基極反向擊穿電壓BVEBO當(dāng)集電極開路時，發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓稱為BVEBO。
4.3.4集電極-----發(fā)射極擊穿電壓BVCEO當(dāng)基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，使用時如果Vce>BVceo，管子就會被擊穿。
4.3.5集電極最大允許耗散功率PCM集電流過Ic，溫度要升高，管子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過允許值時的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce×Ic.使用時慶使Pc
PCM與散熱條件有關(guān)，增加散熱片可提高PCM。
三極管的種類與結(jié)構(gòu)：
三極管分很多種，按功率大小可分為大功率管和小功率管;按電路中的工作頻率可分為高頻管和低頻管;按半導(dǎo)體材料不同可分為硅管和鍺管;按結(jié)構(gòu)不同可分為NPN管和PNP管。無論是NPN型還是PNP型都分為三個區(qū)，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，由三個區(qū)各引出一個電極，分別稱為發(fā)射極(E)、基極(B)和集電極(C)，發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。其中發(fā)射極箭頭所示方向表示發(fā)射極電流的流向。在電路中，晶體管用字符T表示。具有電流放大作用的三極管，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上具有其特殊性，這就是：其一是發(fā)射區(qū)摻雜濃度大于集電區(qū)摻雜濃度，集電區(qū)摻雜濃度遠大于基區(qū)摻雜濃度;其二是基區(qū)很薄，一般只有幾微米。這些結(jié)構(gòu)上的特點是三極管具有電流放大作用的內(nèi)在依據(jù)。
三極管的材料：
三極管的材料有鍺材料和硅材料。它們之間最大的差異就是起始電壓不一樣。鍺管PN結(jié)的導(dǎo)通電壓為0.2V左右，而硅管PN結(jié)的導(dǎo)通電壓為0.6～0.7V。在放大電路中如果用同類型的鍺管代換同類型的硅管，或用同類型的硅管代換同類型的鍺管一般是可以的，但都要在基極偏置電壓上進行必要的調(diào)整，因為它們的起始電壓不一樣。但在脈沖電路和開關(guān)電路中不同材料的三極管是否能互換必須具體分析，不能盲目代換。
三極管的封裝形式和管腳識別：
常用三極管的封裝形式有金屬封裝和塑料封裝兩大類，引腳的排列方式具有一定的規(guī)律。對于小功率金屬封裝三極管，底視圖位置放置，使三個引腳構(gòu)成等腰三角形的頂點上，從左向右依次為e b c;對于中小功率塑料三極管按圖使其平面朝向自己，三個引腳朝下放置，則從左到右依次為e b c。
目前，國內(nèi)各種類型的晶體三極管有許多種，管腳的排列不盡相同，在使用中不確定管腳排列的三極管，必須進行測量確定各管腳正確的位置，或查找晶體管使用手冊，明確三極管的特性及相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和資料。
三極管的特性曲線：
三極管的特性曲線是用來表示各個電極間電壓和電流之間的相互關(guān)系的，它反映出三極管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。特性曲線可由實驗測得，也可在晶體管圖示儀上直觀地顯示出來。
8.1.輸入特性曲線
晶體管的輸入特性曲線表示了VCE為參考變量時，IB和VBE的關(guān)系。
圖1是三極管的輸入特性曲線，由圖可見，輸入特性有以下幾個特點：
8.1.1輸入特性也有一個“死區(qū)”。在“死區(qū)”內(nèi)，VBE雖已大于零，但IB幾乎仍為零。當(dāng)VBE大于某一值后，IB才隨VBE增加而明顯增大。和二極管一樣，硅晶體管的死區(qū)電壓VT(或稱為門檻電壓)約為0.5V，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓VBE =(0.6~0.7)V;鍺晶體管的死區(qū)電壓VT約為0.2V，導(dǎo)通電壓約(0.2~0.3)V。若為PNP型晶體管，則發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓VBE分別為(-0.6 ~ -0.7)V和(-0.2~ -0.3)V。
8.1.2一般情況下，當(dāng)VCE >1V以后，輸入特性幾乎與VCE=1V時的特性重合，因為VCE >1V后，IB無明顯改變了。晶體管工作在放大狀態(tài)時，VCE總是大于1V的(集電結(jié)反偏)，因此常用VCE≥1V的一條曲線來代表所有輸入特性曲線。
8.2.輸出特性曲線
晶體管的輸出特性曲線表示以IB為參考變量時，IC和VCE的關(guān)系，即:
圖2是三極管的輸出特性曲線，當(dāng)IB改變時，可得一組曲線族，由圖可見，輸出特性曲線可分放大、截止和飽和三個區(qū)域。
8.2.1 截止區(qū) ：IB = 0的特性曲線以下區(qū)域稱為截止區(qū)。在這個區(qū)域中，集電結(jié)處于反偏，VBE≤0發(fā)射結(jié)反偏或零偏，即VC>VE≧VB。電流IC很小，(等于反向穿透電流ICEO)工作在截止區(qū)時，晶體管在電路中猶如一個斷開的開關(guān)。
8.2.2飽和區(qū) ：特性曲線靠近縱軸的區(qū)域是飽和區(qū)。當(dāng)VCEVC>VE。在飽和區(qū)IB增大，IC幾乎不再增大，三極管失去放大作用。規(guī)定VCE=VBE時的狀態(tài)稱為臨界飽和狀態(tài)，用VCES表示，此時集電極臨界飽和電流。
檢測三極管的口訣：
三極管的管型及管腳的判別是電子技術(shù)初學(xué)者的一項基本功，為了幫助讀者迅速掌握測判方法，筆者總結(jié)出四句口訣：“三顛倒，找基極;PN結(jié)，定管型;順箭頭，偏轉(zhuǎn)大;測不準(zhǔn)，動嘴巴。”下面讓我們逐句進行解釋吧。
9.1. 三顛倒，找基極
大家知道，三極管是含有兩個PN結(jié)的半導(dǎo)體器件。根據(jù)兩個PN結(jié)連接方式不同，可以分為NPN型和PNP型兩種不同導(dǎo)電類型的三極管。
測試三極管要使用萬用電表的歐姆擋，并選擇R×100或R×1k擋位。
假定我們并不知道被測三極管是NPN型還是PNP型，也分不清各管腳是什么電極。測試的第一步是判斷哪個管腳是基極。這時，我們?nèi)稳蓚€電極(如這兩個電極為1、2)，用萬用電表兩支表筆顛倒測量它的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度;接著，再取1、3兩個電極和2、3兩個電極，分別顛倒測量它們的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度。在這三次顛倒測量中，必然有兩次測量結(jié)果相近：即顛倒測量中表針一次偏轉(zhuǎn)大，一次偏轉(zhuǎn)小;剩下一次必然是顛倒測量前后指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，這一次未測的那只管腳就是我們要尋找的基極。9.2. PN結(jié)，定管型
找出三極管的基極后，我們就可以根據(jù)基極與另外兩個電極之間PN結(jié)的方向來確定管子的導(dǎo)電類型。將萬用表的黑表筆接觸基極，紅表筆接觸另外兩個電極中的任一電極，若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很大，則說明被測三極管為NPN型管;若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很小，則被測管即為PNP型。
9.3.順箭頭，偏轉(zhuǎn)大
找出了基極b，另外兩個電極哪個是集電極c，哪個是發(fā)射極e呢?這時我們可以用測穿透電流ICEO的方法確定集電極c和發(fā)射極e。
9.3.1對于NPN型三極管，穿透電流的測量電路。根據(jù)這個原理，用萬用電表的黑、紅表筆顛倒測量兩極間的正、反向電阻Rce和Rec，雖然兩次測量中萬用表指針偏轉(zhuǎn)角度
都很小，但仔細觀察，總會有一次偏轉(zhuǎn)角度稍大，此時電流的流向一定是：黑表筆→c極→b極→e極→紅表筆，電流流向正好與三極管符號中的箭頭方向一致(“順箭頭”)，所以此時黑表筆所接的一定是集電極c，紅表筆所接的一定是發(fā)射極e。
9.3.2 對于PNP型的三極管，道理也類似于NPN型，其電流流向一定是：黑表筆→e極→b極→c極→紅表筆，其電流流向也與三極管符號中的箭頭方向一致，所以此時黑表筆所接的一定是發(fā)射極e，紅表筆所接的一定是集電極c。
9.4. 測不出，動嘴巴
若在“順箭頭，偏轉(zhuǎn)大”的測量過程中，若由于顛倒前后的兩次測量指針偏轉(zhuǎn)均太小難以區(qū)分時，就要“動嘴巴”了。具體方法是：在“順箭頭，偏轉(zhuǎn)大”的兩次測量中，用兩只手分別捏住兩表筆與管腳的結(jié)合部，用嘴巴含住(或用舌頭抵住)基電極b，仍用“順箭頭，偏轉(zhuǎn)大”的判別方法即可區(qū)分開集電極c與發(fā)射極e。其中人體起到直流偏置電阻的作用，目的是使效果更加明顯。
三極管的發(fā)明：
1947年12月23日，美國新澤西州墨累山的貝爾實驗室里，3位科學(xué)家——巴丁博士、布萊頓博士和肖克萊博士在緊張而又有條不紊地做著實驗。他們在導(dǎo)體電路中正在進行用半導(dǎo)體晶體把聲音信號放大的實驗。3位科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，在他們發(fā)明的器件中通過的一部分微量電流，竟然可以控制另一部分流過的大得多的電流，因而產(chǎn)生了放大效應(yīng)。這個器件，就是在科技史上具有劃時代意義的成果——晶體管。因它是在圣誕節(jié)前夕發(fā)明的，而且對人們未來的生活發(fā)生如此巨大的影響，所以被稱為“獻給世界的圣誕節(jié)禮物”。這3位科學(xué)家因此共同榮獲了1956年諾貝爾物理學(xué)獎。
晶體管促進并帶來了“固態(tài)革命”，進而推動了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。作為主要部件，它及時、普遍地首先在通訊工具方面得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。由于晶體管徹底改變了電子線路的結(jié)構(gòu)，集成電路以及大規(guī)模集成電路應(yīng)運而生，這樣制造像高速電子計算機之類的高精密裝置就變成了現(xiàn)實。
