晶體管被認(rèn)為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一，在重要性方面可以與印刷術(shù)，汽車(chē)和電話等的發(fā)明相提并論。晶體管實(shí)際上是所有現(xiàn)代電器的關(guān)鍵活動(dòng)(active)元件，并且是最重要的一種半導(dǎo)體器件之一，它的放大作用和開(kāi)關(guān)作用，促使了電子技術(shù)的飛躍。它的出現(xiàn)為集成電路、微處理器以及計(jì)算機(jī)內(nèi)存的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。那么什么晶體管?其又是如何工作的?下面一起來(lái)看看：
1.晶體管概念
晶體管(transistor)是一種固體半導(dǎo)體器件(包括二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、晶閘管等，有時(shí)特指雙極型器件)，具有檢波、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開(kāi)關(guān)，能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機(jī)械開(kāi)關(guān)(如Relay、switch)不同，晶體管利用電訊號(hào)來(lái)控制自身的開(kāi)合，而且開(kāi)關(guān)速度可以非常快，實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。
嚴(yán)格意義上講，晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件，包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管(二端子)、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、晶閘管(后三者均為三端子)等。晶體管有時(shí)多指晶體三極管。
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(shí)很簡(jiǎn)單，就是用兩個(gè)狀態(tài)表示二進(jìn)制的“0”和“1”。
源極和漏極之間是溝道(Channel)，當(dāng)沒(méi)有對(duì)柵極(G)施加電壓的時(shí)候，溝道中不會(huì)聚集有效的電荷，源極(S)和漏極(S)之間不會(huì)有有效電流產(chǎn)生，晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)。可以把這種關(guān)閉的狀態(tài)解釋為“0”。
圖2 晶體管關(guān)閉狀態(tài)
當(dāng)對(duì)柵極(G)施加電壓的時(shí)候，溝道中會(huì)聚集有效的電荷，形成一條從源極(S)到漏極(D)導(dǎo)通的通道，晶體管處于開(kāi)啟狀態(tài)，如圖3所示，可以把這種狀態(tài)解釋為“1”。這樣二進(jìn)制的兩個(gè)狀態(tài)就由晶體管的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)表示出來(lái)了。
圖3 晶體管開(kāi)啟狀態(tài)
3.基本結(jié)構(gòu)
晶體管的基本結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，按PN結(jié)的組成方式分為NPN型和PNP型兩種，如圖1所示。無(wú)論NPN還是PNP都有三個(gè)區(qū)：集電區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)。由三個(gè)區(qū)引現(xiàn)的電極分別稱(chēng)為集電極、基極、發(fā)射極。兩個(gè)PN結(jié)分別稱(chēng)為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。
圖4 雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)
晶體管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高;集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大;基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。
4.優(yōu)越性
同電子管相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性：
4.1構(gòu)件沒(méi)有消耗
無(wú)論多么優(yōu)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(shù)上的原因，晶體管制作之初也存在同樣的問(wèn)題。隨著材料制作上的進(jìn)步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長(zhǎng)100到1000倍，稱(chēng)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(chǎn)生自由電子。一臺(tái)晶體管收音機(jī)只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽(tīng)下去，這對(duì)電子管收音機(jī)來(lái)說(shuō)，是難以做到的。
4.3不需預(yù)熱
一開(kāi)機(jī)就工作。例如，晶體管收音機(jī)一開(kāi)就響，晶體管電視機(jī)一開(kāi)就很快出現(xiàn)畫(huà)面。電子管設(shè)備就做不到這一點(diǎn)。開(kāi)機(jī)后，非得等一會(huì)兒才聽(tīng)得到聲音，看得到畫(huà)面。顯然，在軍事、測(cè)量、記錄等方面，晶體管是非常有優(yōu)勢(shì)的。
4.4結(jié)實(shí)可靠
比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動(dòng)，這都是電子管所無(wú)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(shè)計(jì)小型、復(fù)雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡(jiǎn)便，有利于提高元器件的安裝密度。
圖5 晶體管外形
5.選用技巧
(1)用于開(kāi)關(guān)線路，則偏向選用電流比較大，飽和壓降小的管，對(duì)管的耐壓要求可適當(dāng)放寬。因?yàn)槟蛪汉碗娏魇且粚?duì)互相矛盾的參數(shù)，要兩全其美的話必然增加成本。為了能進(jìn)入飽和狀態(tài)，避免出現(xiàn)關(guān)不斷的情況，除了選好管之外，對(duì)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(wěn)定性要好，避免擊穿電壓有軟特性、蠕變情況。最好能加保護(hù)電路。
(3)用于普通放大，主要考慮HFE輸出的線性要好，工作區(qū)寬，靜態(tài)工作點(diǎn)最好選擇HFE的測(cè)試條件，即HFE分檔的測(cè)試條件。
(4)用于高頻線路，主要考慮是fT參數(shù)，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(fā)熱情況怎樣，周?chē)h(huán)境溫度如何，散熱通風(fēng)是否良好。PCM=TJM-TA/RT
PC(T)=PCM(TJM-T/TJM-TA)
6.判別與計(jì)算
6.1判別基極和類(lèi)型
選用歐姆檔的R*100(或R*1K)檔，先用紅表筆接一個(gè)管腳，黑表筆接另一個(gè)管腳，可測(cè)出兩個(gè)電阻值，然后再用紅表筆接另一個(gè)管腳，重復(fù)上述步驟，又測(cè)得一組電阻值，這樣測(cè)3次，其中有一組兩個(gè)阻值都很小的，對(duì)應(yīng)測(cè)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(gè)管腳，重復(fù)上述做法，若測(cè)得兩個(gè)阻值都小，對(duì)應(yīng)黑表筆為基極，且管子是NPN型的。
6.2判別集電極
因?yàn)槿龢O管發(fā)射極和集電極正確連接時(shí)β大(表針擺動(dòng)幅度大)，反接時(shí)β就小得多。因此，先假設(shè)一個(gè)集電極，用歐姆檔連接，(對(duì)NPN型管，發(fā)射極接黑表筆，集電極接紅表筆)。測(cè)量時(shí)，用手捏住基極和假設(shè)的集電極，兩極不能接觸，若指針擺動(dòng)幅度大，而把兩極對(duì)調(diào)后指針擺動(dòng)小，則說(shuō)明假設(shè)是正確的，從而確定集電極和發(fā)射極。
6.3電流放大系數(shù)β的估算
選用歐姆檔的R*100(或R*1K)檔，對(duì)NPN型管，紅表筆接發(fā)射極，黑表筆接集電極，測(cè)量時(shí)，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(kāi)兩種情況小指針擺動(dòng)的大小，擺動(dòng)越大，β值越高。
以上就是晶體管的概念、工作原理、結(jié)構(gòu)與優(yōu)越性介紹了。由于其響應(yīng)速度快，準(zhǔn)確性高，晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能，包括放大，開(kāi)關(guān)，穩(wěn)壓，信號(hào)調(diào)制和振蕩器。晶體管可獨(dú)立包裝或在一個(gè)非常小的的區(qū)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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