三極管
來源：作者：日期：2017-11-24 11:37:31點擊：6613次
三極管，英文名稱為Triode，是半導體三極管的簡稱，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，帶動了半導體電子工業的發展，也使得集成電路、大規模集成電路逐步出現并得到廣泛應用。
| 中文名 | 外文名 | 材料 | 應用領域 |
| 三極管 | Bipolar Junction Transistor | 半導體 | 實現電流放大 |
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
5、三極管的種類與結構
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、三極管的發明
三極管簡介：
三極管的發射區和基區之間的PN結叫發射結，集電區和基區之間的PN結叫集電極。基區很薄，而發射區較厚，雜質濃度大，PNP型三極管發射區"發射"的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發射極箭頭向里;NPN型三極管發射區"發射"的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，故發射極箭頭向外。發射極箭頭向外。發射極箭頭指向也是PN結在正向電壓下的導通方向。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。
當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發射結處于正偏狀態，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。
在制造三極管時，有意識地使發射區的多數載流子濃度大于基區的，同時基區做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源后，由于發射結正確，發射區的多數載流子(電子)極基區的多數載流子(控穴)很容易地截越過發射結構互相向反方各擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發射極電流Ie。
由于基區很薄,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集電流Ic，只剩下很少(1-10[%])的電子在基區的空穴進行復合，被復合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補紀念給，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系，即：
β1=Ic/Ib
式中：β--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，由于低頻時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，當然這種轉換仍然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉換成信號的能量罷了。三極管有一個重要參數就是電流放大系數β。當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：
4.1直流參數
4.1.1集電極一基極反向飽和電流Icbo，發射極開路(Ie=0)時，基極和集電極之間加上規定的反向電壓Vcb時的集電極反向電流，它只與溫度有關，在一定溫度下是個常數，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集電極一發射極反向電流Iceo(穿透電流)基極開路(Ib=0)時，集電極和發射極之間加上規定反向電壓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定性的重要參數，其值越小，性能越穩定，小功率鍺管的Iceo比硅管大。
4.1.3發射極---基極反向電流Iebo集電極開路時，在發射極與基極之間加上規定的反向電壓時發射極的電流，它實際上是發射結的反向飽和電流。
4.1.4直流電流放大系數β1(或hEF)這是指共發射接法，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
4.2.1交流電流放大系數β(或hfe)這是指共發射極接法，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，但性能往往不穩定。
4.2.2共基極交流放大系數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之間的關系：
α= β/(1+β)
β= α/(1-α)≈1/(1-α)
4.2.3截止頻率fβ、fα當β下降到低頻時0.707倍的頻率，就什發射極的截止頻率fβ;當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，它們之間的關系為：
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β下降到1時，對應的fT是全面地反映電晶體的高頻放大性能的重要參數。
4.3極限參數
4.3.1集電極最大允許電流ICM當集電極電流Ic增加到某一數值，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。
4.3.2集電極----基極擊穿電壓BVCBO當發射極開路時，集電結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。
4.3.3發射極-----基極反向擊穿電壓BVEBO當集電極開路時，發射結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。
4.3.4集電極-----發射極擊穿電壓BVCEO當基極開路時，加在集電極和發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，增加散熱片可提高PCM。
三極管的種類與結構：
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;按半導體材料不同可分為硅管和鍺管;按結構不同可分為NPN管和PNP管。無論是NPN型還是PNP型都分為三個區，分別稱為發射區、基區和集電區，由三個區各引出一個電極，分別稱為發射極(E)、基極(B)和集電極(C)，發射區和基區之間的PN結稱為發射結，集電區和基區之間的PN結稱為集電結。其中發射極箭頭所示方向表示發射極電流的流向。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，在內部結構上具有其特殊性，這就是：其一是發射區摻雜濃度大于集電區摻雜濃度，集電區摻雜濃度遠大于基區摻雜濃度;其二是基區很薄，一般只有幾微米。這些結構上的特點是三極管具有電流放大作用的內在依據。
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結的導通電壓為0.2V左右，而硅管PN結的導通電壓為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整，因為它們的起始電壓不一樣。但在脈沖電路和開關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的技術參數和資料。
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系的，它反映出三極管的性能，是分析放大電路的重要依據。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”。在“死區”內，VBE雖已大于零，但IB幾乎仍為零。當VBE大于某一值后，IB才隨VBE增加而明顯增大。和二極管一樣，硅晶體管的死區電壓VT(或稱為門檻電壓)約為0.5V，發射結導通電壓VBE =(0.6~0.7)V;鍺晶體管的死區電壓VT約為0.2V，導通電壓約(0.2~0.3)V。若為PNP型晶體管，則發射結導通電壓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時，VCE總是大于1V的(集電結反偏)，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的關系，即:
圖2是三極管的輸出特性曲線，當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、截止和飽和三個區域。
8.2.1 截止區 ：IB = 0的特性曲線以下區域稱為截止區。在這個區域中，集電結處于反偏，VBE≤0發射結反偏或零偏，即VC>VE≧VB。電流IC很小，(等于反向穿透電流ICEO)工作在截止區時，晶體管在電路中猶如一個斷開的開關。
8.2.2飽和區 ：特性曲線靠近縱軸的區域是飽和區。當VCEVC>VE。在飽和區IB增大，IC幾乎不再增大，三極管失去放大作用。規定VCE=VBE時的狀態稱為臨界飽和狀態，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初學者的一項基本功，為了幫助讀者迅速掌握測判方法，筆者總結出四句口訣：“三顛倒，找基極;PN結，定管型;順箭頭，偏轉大;測不準，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結的半導體器件。根據兩個PN結連接方式不同，可以分為NPN型和PNP型兩種不同導電類型的三極管。
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，我們任取兩個電極(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，觀察表針的偏轉角度。在這三次顛倒測量中，必然有兩次測量結果相近：即顛倒測量中表針一次偏轉大，一次偏轉小;剩下一次必然是顛倒測量前后指針偏轉角度都很小，這一次未測的那只管腳就是我們要尋找的基極。9.2. PN結，定管型
找出三極管的基極后，我們就可以根據基極與另外兩個電極之間PN結的方向來確定管子的導電類型。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，若表頭指針偏轉角度很大，則說明被測三極管為NPN型管;若表頭指針偏轉角度很小，則被測管即為PNP型。
9.3.順箭頭，偏轉大
找出了基極b，另外兩個電極哪個是集電極c，哪個是發射極e呢?這時我們可以用測穿透電流ICEO的方法確定集電極c和發射極e。
9.3.1對于NPN型三極管，穿透電流的測量電路。根據這個原理，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角度
都很小，但仔細觀察，總會有一次偏轉角度稍大，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，偏轉大”的測量過程中，若由于顛倒前后的兩次測量指針偏轉均太小難以區分時，就要“動嘴巴”了。具體方法是：在“順箭頭，偏轉大”的兩次測量中，用兩只手分別捏住兩表筆與管腳的結合部，用嘴巴含住(或用舌頭抵住)基電極b，仍用“順箭頭，偏轉大”的判別方法即可區分開集電極c與發射極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。他們在導體電路中正在進行用半導體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——晶體管。因它是在圣誕節前夕發明的，而且對人們未來的生活發生如此巨大的影響，所以被稱為“獻給世界的圣誕節禮物”。這3位科學家因此共同榮獲了1956年諾貝爾物理學獎。
晶體管促進并帶來了“固態革命”，進而推動了全球范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應用，并產生了巨大的經濟效益。由于晶體管徹底改變了電子線路的結構，集成電路以及大規模集成電路應運而生，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實。
