半導體三極體

半導體三極體

半導體三極體又稱“晶體三極體”或“電晶體”。具有三個電極,能起放大、振盪或開關等作用的半導體電子器件。

解釋

半導體三極體又稱“晶體三極體”或“電晶體”。具有三個電極,能起放大、振盪或開關等作用的半導體電子器件。在半導體鍺或矽的單晶上製備兩個能相互影響的pn結,組成一個pnp(或npn)結構。中間的n區(或p區)叫基區,兩邊的區域叫發射區和集電區,這三部分各有一條電極引線,分別叫基極b、發射極e和集電極c。是能起放大、振盪或開關等作用的半導體電子器件。

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發明人

1947年12月23日,美國新澤西州墨累山的貝爾實驗室里,3位科學家——巴丁博士、布菜頓博士和肖克萊利博士在緊張而又有條不紊地做著實驗。他們在導體電路中正在進行用半導體電晶體把聲音信號放大的實驗。3位科學家驚奇地發現,在他們發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,因而產生了放大效應。這個器件,就是在科技史上具有劃時代意義的成果——電晶體。因它是在聖誕節前夕發明的,而且對人們未來的生活發生如此巨大的影響,所以被稱為“獻給世界的聖誕節禮物”。另外,這3位科學家因此共同榮獲了1956年諾貝爾物理學獎。
電晶體促進並帶來了“固態革命”,進而推動了全球範圍內的半導體電子工業。作為主要部件,它及時、普遍地首先在通訊工具方面得到套用,並產生了巨大的經濟效益。由於電晶體徹底改變了電子線路的結構,積體電路以及大規模積體電路應運而生,這樣製造像高速電子計算機之類的高精密裝置就變成了現實。

名稱來源

由於三極體的結構和外形特徵,它有三個接出來的端點,所以便被形象的命名為三極體。

工作原理

晶體三極體(以下簡稱三極體)按材料分有兩種:鍺管和矽管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式,但使用最多的是矽NPN和鍺PNP兩種三極體,(其中,N表示在高純度矽中加入磷,是指取代一些矽原子,在電壓刺激下產生自由電子導電,而p是加入硼取代矽,產生大量空穴利於導電)。兩者除了電源極性不同外,其工作原理都是相同的,下面僅介紹NPN矽管的電流放大原理。 對於NPN管,它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成,發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結,而集電區與基區形成的PN結稱為集電結,三條引線分別稱為發射極e、基極b和集電極c。 
當b點電位高於e點電位零點幾伏時,發射結處於正偏狀態,而C點電位高於b點電位幾伏時,集電結處於反偏狀態,集電極電源Ec要高於基極電源Ebo。在製造三極體時,有意識地使發射區的多數載流子濃度大於基區的,同時基區做得很薄,而且,要嚴格控制雜質含量,這樣,一旦接通電源後,由於發射結正偏,發射區的多數載流子(電子)及基區的多數載流子(空穴)很容易地越過發射結互相向對方擴散,但因前者的濃度基大於後者,所以通過發射結的電流基本上是電子流,這股電子流稱為發射極電流了。由於基區很薄,加上集電結的反偏,注入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電極電流Ic,只剩下很少(1-10%)的電子在基區的空穴進行複合,被複合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補給,從而形成了基極電流Ibo.根據電流連續性原理得: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係,即:β1=Ic/Ib式中:β1--稱為直流放大倍數,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,由於低頻時β1和β的數值相差不大,所以有時為了方便起見,對兩者不作嚴格區分,β值約為幾十至一百多。三極體是一種電流放大器件,但在實際使用中常常利用三極體的電流放大作用,通過電阻轉變為電壓放大作用。

作用

把微弱信號放大成輻值較大的電信號, 也用作無觸點開關。

分類

a.按材質分:矽管、鍺管
b.按結構分:NPN、PNP
c.按功能分:開關管、功率管、達林頓管、光敏管等.

半導體三極體特點

半導體三極體(簡稱三極體)是內部含有2個PN結,並且具有放大能力的特殊器件。它分NPN型和PNP型兩種類型,這兩種類型的三極體從工作特性上可互相彌補,所謂OTL電路中的對管就是由PNP型和NPN型配對使用。電話機中常用的PNP型三極體有:A92、9015等型號;NPN型三極體有:A42、9014、9018、9013、9012等型號。

半導體三極體分類

半導體三極體的種類很多,分類方法也有多種。下面按用途、頻率、功率、材料等進行分類。
1)按材料和極性分有矽材料的NPN和PNP三極體.鍺材料的NPN和PNP三極體。
2)按用途分有高、中頻放大管、低頻放大管、低噪聲放大管、光電管、開關管、高反壓管、達林頓管、帶阻尼的三極體等。
3)按功率分有小功率三極體、中功率三極體、大功率三極體。
4)按工作頻率分有低頻三極體、高頻三極體和超高頻三極體。
5)按製作工藝分有平面型三極體、合金型三極體、擴散型三極體。
6)按外形封裝的不同可分為金屬封裝三極體、玻璃封裝三極體、陶瓷封裝三極體、塑膠封裝三極體等。

半導體三極體的主要參數

晶體三極體的參數可分為直流參數、交流參數、極限參數、特徵頻率。晶體三極體的參數是使用和選用晶體三極體時的重要依據,為此了解晶體三極體的參數可避免選用或使用不當而引起管子的損壞。
(1)直流參數。
1)集電極―基極反向電流I(CBO)。當發射極開路、在集電極和基極間加上規定的反向電壓時,集電結中的漏電流就稱I(CBO)此值越小表明電晶體的熱穩定性越好。一般小功率管約1OμA左右,矽管更小些。
2)集電極一一發射極反向電流I(CBO)也稱穿透電流。它是指基極開路時,在集電極和發射極之間加上規定的反向電壓時,集電極的漏電流。此值越小越好。矽管一般較小,約在1μA以下。如果測試中發現此值較大,此管就不易使用。
(2)極限參數。
1)集電極最大允許電流I(CM)當三極體的β值下降到最大值的一半時,管子的集電極電流就稱集電極最大允許電流。當管子的集電極電流Ic超過一定值時,將引起電晶體某些參數的變化,最明顯的是β值下降。因此,實際套用時Ic要小於I(CM°)
2)集電極最大允許耗散功率P(CM)當電晶體工作時,由於集電極要耗散一定的功率而使集電結髮熱,當溫度過高時就會導致參數的變化,甚至燒毀電晶體。為此規定電晶體集電極溫度升高到不至於將集電極燒毀所消耗的功率,就成為集電極最大耗散功率。使用時為提高P(CM)值,可給大功率管子加上散熱片,散熱片愈大其P(CM)值就提高得越多。
3)集電極發射極反向擊穿電壓BU(CEO)當基極開路時,集電極和發射極之間允許加的最大電壓。在實際套用時,加到集電極和發射極之間的電壓,一定要小於BU(CEO),否則將損壞三極體。
(3)電流放大係數。
1)直流放大係數β"或用h(FE)表示。它是指無交流信號時,共發射極電路,集電極輸出直流I(B)和基極輸入直流幾的比值。
即:β=I(c)/I(B)
β是衡量三極體電流放大能力的一個重要參數,但對於同一個三極體來說,在不同的集電極電流下有不同的β.
2)交流放大係數β也可用h(FE);表示。這個參數是指有交流信號輸人時,在共發射極電路中,集電極電流的變化量△AIc和基極電流的變化量△I(B)的比值。
即β=△Ic/△I(B)
以上兩個參數分別表明了三極體對直流電流的放大能力和對交流電流的放大能力。但由於這兩個參數值近似相等,即β≈β,因此在實際使用時一般不再區分。
由於生產工藝的原因,即使同一批生產的管子,其β值也是不一樣的,為方便實用,廠家有時將屍值標記在三極體上,供使用者選用。
(4)特徵頻率品因為屍值隨工作頻率的升高而下降,頻率越高,β下降的越嚴重。三極體的特徵頻率光是指屍值下降到1時的頻率值。就是說在這個頻率下工作的三極體,已失去放大能力,即f(T)是三極體使用中的極限頻率,因此在選用三極體時,一般管子的特徵頻率品要比電路的1作頻率至少高出3倍以上。但不是f(T)越高越好,如果選的太高,就會引起電路的振盪。

半導體三極體的三種工作狀態

截止狀態:當加在三極體發射結的電壓小於PN結的導通電壓,基極電流為零,集電極電流和發射極電流都為零,三極體這時失去了電流放大作用,集電極和發射極之間相當於開關的斷開狀態,我們稱三極體處於截止狀態。
放大狀態:當加在三極體發射結的電壓大於PN結的導通電壓,並處於某一恰當的值時,三極體的發射結正向偏置,集電結反向偏置,這時基極電流對集電極電流起著控制作用,使三極體具有電流放大作用,其電流放大倍數β=ΔIc/ΔIb,這時三極體處放大狀態。
飽和導通狀態:當加在三極體發射結的電壓大於PN結的導通電壓,並當基極電流增大到一定程度時,集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大,而是處於某一定值附近不怎么變化,這時三極體失去電流放大作用,集電極和發射極之間的電壓很小,集電極和發射極之間相當於開關的導通狀態。三極體的這種狀態我們稱之為飽和導通狀態。
根據三極體工作時各個電極的電位高低,就能判別三極體的工作狀態,因此,電子維修人員在維修過程中,經常要拿多用電錶測量三極體各腳的電壓,從而判別三極體的工作情況和工作狀態。

半導體三極體的電流放大作用.

晶體三極體具有電流放大作用,其實質是三極體能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極體最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極體的電流放大倍數,用符號“β”表示。電流放大倍數對於某一隻三極體來說是一個定值,但隨著三極體工作時基極電流的變化也會有一定的改變。

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