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什么是三极管?
发布时间:2018-04-04 15:27:08         阅读次数:

    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。晶体三极管,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两种。

基本释义

    什么是三极管(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。

    电子三极管 Triode 这个是英汉字典里面“三极管”这个词汇的唯一英文翻译,这是和电子三极管最早出现有关系的,所以先入为主,也是真正意义上的三极管这个词最初所指的物品。其余的那些被中文里叫做三极管的东西,实际翻译的时候是绝对不可以翻译成Triode的,否则就麻烦大咯,严谨地说,在英文里面根本就没有三个脚的管子这样一个词汇!

    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

    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。

工作原理

    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)。

        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流子。

        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。

        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

    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

产品作用

    晶体三极管具有电流放大作用,其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数,用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值,但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。