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八月 21 2019

晶体管的结构与工作原理

  晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一,在重要性方面可以与印刷术,汽车和电话等的发明相提并论。晶体管实际上是所有现代电器的关键活动(active)元件,并且是最重要的一种半导体器件之一,它的放大作用和开关作用,促使了电子技术的飞跃。它的出现为集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。那么什么晶体管?其又是如何工作的?下面一起来看看:

  一、晶体管概念

  晶体管(transistor)是一种固体半导体器件(包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等,有时特指双极型器件),具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关,能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关(如Relay、switch)不同,晶体管利用电讯号来控制自身的开合,而且开关速度可以非常快,实验室中的切换速度可达100GHz以上。

  严格意义上讲,晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管(二端子)、三极管、场效应管、晶闸管(后三者均为三端子)等。晶体管有时多指晶体三极管。

晶体管

  图1 晶体管

  二、工作原理

  图2中的S是指源极(Source),D是指漏极(Drain),G是栅极(Gate)。晶体管的工作原理其实很简单,就是用两个状态表示二进制的“0”和“1”。

  源极和漏极之间是沟道(Channel),当没有对栅极(G)施加电压的时候,沟道中不会聚集有效的电荷,源极(S)和漏极(S)之间不会有有效电流产生,晶体管处于关闭状态。可以把这种关闭的状态解释为“0”。

晶体管关闭状态

  图2 晶体管关闭状态

  当对栅极(G)施加电压的时候,沟道中会聚集有效的电荷,形成一条从源极(S)到漏极(D)导通的通道,晶体管处于开启状态,如图3所示,可以把这种状态解释为“1”。这样二进制的两个状态就由晶体管的开启和关闭状态表示出来了。

晶体管开启状态

  图3 晶体管开启状态

  三、基本结构

  晶体管的基本结构是由两个PN结构成,按PN结的组成方式分为NPN型和PNP型两种,如图1所示。无论NPN还是PNP都有三个区:集电区、基区、发射区。由三个区引现的电极分别称为集电极、基极、发射极。两个PN结分别称为发射结和集电结。

双极型晶体管的结构示意图和图形符号

  图4 双极型晶体管的结构示意图和图形符号

  晶体管的结构特点:发射区的掺杂浓度最高;集电区掺杂浓度低于发射区,且面积大;基区很薄,一般在几个微米至几十个微米,且掺杂浓度最低。

  四、优越性

  同电子管相比,晶体管具有诸多优越性:

  1.构件没有消耗

  无论多么优良的电子管,都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因,晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善,晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍,称得起永久性器件的美名。

  2.消耗电能极少

  仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去,这对电子管收音机来说,是难以做到的。

  3.不需预热

  一开机就工作。例如,晶体管收音机一开就响,晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后,非得等一会儿才听得到声音,看得到画面。显然,在军事、测量、记录等方面,晶体管是非常有优势的。

  4.结实可靠

  比电子管可靠100倍,耐冲击、耐振动,这都是电子管所无法比拟的。另外,晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一,放热很少,可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密,但工序简便,有利于提高元器件的安装密度。

晶体管外形

图5 晶体管外形

  五、选用技巧

  1.用于开关线路,则偏向选用电流比较大,饱和压降小的管,对管的耐压要求可适当放宽。因为耐压和电流是一对互相矛盾的参数,要两全其美的话必然增加成本。为了能进入饱和状态,避免出现关不断的情况,除了选好管之外,对线路偏置很重要。通常在IC保持不变情况下增大IB的电流,或IB保持不变情况下减小IC电流。

  2.用于高压电路,主要考虑漏电流要小,热稳定性要好,避免击穿电压有软特性、蠕变情况。最好能加保护电路。

  3.用于普通放大,主要考虑HFE输出的线性要好,工作区宽,静态工作点最好选择HFE的测试条件,即HFE分档的测试条件。

  4.用于高频线路,主要考虑是fT参数,而且要跟线路板相匹配,PCB板上的电容、电感都回影响其使用。

  5.用于功率放大,主要考虑其功率的承受范围,管装上后管体发热情况怎样,周围环境温度如何,散热通风是否良好。PCM=TJM-TA/RT

  PC(T)=PCM(TJM-T/TJM-TA)

  六、判别与计算

  1.判别基极和类型

  选用欧姆档的R*100(或R*1K)档,先用红表笔接一个管脚,黑表笔接另一个管脚,可测出两个电阻值,然后再用红表笔接另一个管脚,重复上述步骤,又测得一组电阻值,这样测3次,其中有一组两个阻值都很小的,对应测得这组值的红表笔接的为基极,且管子是PNP型的;反之,若用黑表笔接一个管脚,重复上述做法,若测得两个阻值都小,对应黑表笔为基极,且管子是NPN型的。

  2.判别集电极

  因为三极管发射极和集电极正确连接时β大(表针摆动幅度大),反接时β就小得多。因此,先假设一个集电极,用欧姆档连接,(对NPN型管,发射极接黑表笔,集电极接红表笔)。测量时,用手捏住基极和假设的集电极,两极不能接触,若指针摆动幅度大,而把两极对调后指针摆动小,则说明假设是正确的,从而确定集电极和发射极。

  3.电流放大系数β的估算

  选用欧姆档的R*100(或R*1K)档,对NPN型管,红表笔接发射极,黑表笔接集电极,测量时,只要比较用手捏住基极和集电极(两极不能接触),和把手放开两种情况小指针摆动的大小,摆动越大,β值越高。

  本文介绍了晶体管的概念、工作原理、结构与优越性。由于其响应速度快,准确性高,晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能,包括放大,开关,稳压,信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域,可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。

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