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晶體管的結構與工作原理解析

返回列表來源:壹芯微 發布日期 2021-12-31 瀏覽:-

晶體管的結構與工作原理解析

晶體管被認為是現代歷史中最偉大的發明之一,在重要性方面可以與印刷術,汽車和電話等的發明相提并論。晶體管實際上是所有現代電器的關鍵活動(active)元件,并且是最重要的一種半導體器件之一,它的放大作用和開關作用,促使了電子技術的飛躍。它的出現為集成電路、微處理器以及計算機內存的產生奠定了基礎。那么什么晶體管?其又是如何工作的?下面一起來看看:

1.晶體管概念

晶體管(transistor)是一種固體半導體器件(包括二極管、三極管、場效應管、晶閘管等,有時特指雙極型器件),具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關,能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機械開關(如Relay、switch)不同,晶體管利用電訊號來控制自身的開合,而且開關速度可以非???,實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

嚴格意義上講,晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件,包括各種半導體材料制成的二極管(二端子)、三極管、場效應管、晶閘管(后三者均為三端子)等。晶體管有時多指晶體三極管。

晶體管

圖1 晶體管

2.工作原理

圖2中的S是指源極(Source),D是指漏極(Drain),G是柵極(Gate)。晶體管的工作原理其實很簡單,就是用兩個狀態表示二進制的“0”和“1”。

源極和漏極之間是溝道(Channel),當沒有對柵極(G)施加電壓的時候,溝道中不會聚集有效的電荷,源極(S)和漏極(S)之間不會有有效電流產生,晶體管處于關閉狀態??梢园堰@種關閉的狀態解釋為“0”。

晶體管關閉狀態

圖2 晶體管關閉狀態

當對柵極(G)施加電壓的時候,溝道中會聚集有效的電荷,形成一條從源極(S)到漏極(D)導通的通道,晶體管處于開啟狀態,如圖3所示,可以把這種狀態解釋為“1”。這樣二進制的兩個狀態就由晶體管的開啟和關閉狀態表示出來了。

晶體管開啟狀態

圖3 晶體管開啟狀態

3.基本結構

晶體管的基本結構是由兩個PN結構成,按PN結的組成方式分為NPN型和PNP型兩種,如圖1所示。無論NPN還是PNP都有三個區:集電區、基區、發射區。由三個區引現的電極分別稱為集電極、基極、發射極。兩個PN結分別稱為發射結和集電結。

雙極型晶體管的結構示意圖和圖形符號

圖4 雙極型晶體管的結構示意圖和圖形符號

晶體管的結構特點:發射區的摻雜濃度最高;集電區摻雜濃度低于發射區,且面積大;基區很薄,一般在幾個微米至幾十個微米,且摻雜濃度最低。

4.優越性

同電子管相比,晶體管具有諸多優越性:

4.1構件沒有消耗

無論多么優良的電子管,都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由于技術上的原因,晶體管制作之初也存在同樣的問題。隨著材料制作上的進步以及多方面的改善,晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍,稱得起永久性器件的美名。

4.2消耗電能極少

僅為電子管的十分之一或幾十分之一。它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產生自由電子。一臺晶體管收音機只要幾節干電池就可以半年一年地聽下去,這對電子管收音機來說,是難以做到的。

4.3不需預熱

一開機就工作。例如,晶體管收音機一開就響,晶體管電視機一開就很快出現畫面。電子管設備就做不到這一點。開機后,非得等一會兒才聽得到聲音,看得到畫面。顯然,在軍事、測量、記錄等方面,晶體管是非常有優勢的。

4.4結實可靠

比電子管可靠100倍,耐沖擊、耐振動,這都是電子管所無法比擬的。另外,晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一,放熱很少,可用于設計小型、復雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密,但工序簡便,有利于提高元器件的安裝密度。

晶體管外形

圖5 晶體管外形

5.選用技巧

(1)用于開關線路,則偏向選用電流比較大,飽和壓降小的管,對管的耐壓要求可適當放寬。因為耐壓和電流是一對互相矛盾的參數,要兩全其美的話必然增加成本。為了能進入飽和狀態,避免出現關不斷的情況,除了選好管之外,對線路偏置很重要。通常在IC保持不變情況下增大IB的電流,或IB保持不變情況下減小IC電流。

(2)用于高壓電路,主要考慮漏電流要小,熱穩定性要好,避免擊穿電壓有軟特性、蠕變情況。最好能加保護電路。

(3)用于普通放大,主要考慮HFE輸出的線性要好,工作區寬,靜態工作點最好選擇HFE的測試條件,即HFE分檔的測試條件。

(4)用于高頻線路,主要考慮是fT參數,而且要跟線路板相匹配,PCB板上的電容、電感都回影響其使用。

(5)用于功率放大,主要考慮其功率的承受范圍,管裝上后管體發熱情況怎樣,周圍環境溫度如何,散熱通風是否良好。PCM=TJM-TA/RT

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

6.判別與計算

6.1判別基極和類型

選用歐姆檔的R*100(或R*1K)檔,先用紅表筆接一個管腳,黑表筆接另一個管腳,可測出兩個電阻值,然后再用紅表筆接另一個管腳,重復上述步驟,又測得一組電阻值,這樣測3次,其中有一組兩個阻值都很小的,對應測得這組值的紅表筆接的為基極,且管子是PNP型的;反之,若用黑表筆接一個管腳,重復上述做法,若測得兩個阻值都小,對應黑表筆為基極,且管子是NPN型的。

6.2判別集電極

因為三極管發射極和集電極正確連接時β大(表針擺動幅度大),反接時β就小得多。因此,先假設一個集電極,用歐姆檔連接,(對NPN型管,發射極接黑表筆,集電極接紅表筆)。測量時,用手捏住基極和假設的集電極,兩極不能接觸,若指針擺動幅度大,而把兩極對調后指針擺動小,則說明假設是正確的,從而確定集電極和發射極。

6.3電流放大系數β的估算

選用歐姆檔的R*100(或R*1K)檔,對NPN型管,紅表筆接發射極,黑表筆接集電極,測量時,只要比較用手捏住基極和集電極(兩極不能接觸),和把手放開兩種情況小指針擺動的大小,擺動越大,β值越高。

以上就是晶體管的概念、工作原理、結構與優越性介紹了。由于其響應速度快,準確性高,晶體管可用于各種各樣的數字和模擬功能,包括放大,開關,穩壓,信號調制和振蕩器。晶體管可獨立包裝或在一個非常小的的區域,可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分。

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