半导体三极管

每周电子Week3——半导体三极管

三极管基础

三极管（triode），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。

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。

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。

新研究发现，在晶体管电子流出端的衬底外，沉积一层对应材料，能形成一个半导体致冷P-N结构，因为N材料的电子能级低，P材料的电子能级高，当电子流过时，需要从衬底吸入热量，这就为晶体管核心散热提供一个很好的途径。因为带走的热量会与电流的大小成正比例，业内也称形象地把这个称为“电子血液”散热技术。根据添加新材料的极性位置不同，新的致冷三极管分别叫做N-PNP或NPN-P。
晶体管带来并促进了“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

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）。

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)。如图所示当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子流。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Icn，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Ibn.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较大变化。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。

三极管的结构及类型

通过工艺的方法把两个二极管背靠背的连接起来组成了三极管。按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，它们的结构示意图如图所示。

NPN型

PNP型

它们均包含三个区：发射区、基区和集电区，同时相应的引出三个电极：发射极、集电极。同时又在两辆交界区形成PN结，分别是发射结合基点结。

常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类，引脚的排列方式具有一定的规律，
底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左向右依次为e b c；对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为e b c。
国内各种类型的晶体三极管有许多种，管脚的排列不尽相同，在使用中不确定管脚排列的三极管，必须进行测量确定各管脚正确的位置，或查找晶体管使用手册，明确三极管的特性及相应的技术参数和资料

三极管的主要参数

放大系数
它主要是表征管子放大能力，它有共基极的放大系数和共发射极的放大系数

---

极间的反向电流
1.基电极–基极的反向饱和电流
2.Iceo：穿透电流，它与Iceo关系为：Iceo=（1+b）Iceo

---

参数与温度的关系
由于半导体的载流子受温度影响，因此三级管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低，输出特性曲线上移。温度升高，放大系数也增加。

三极管应用

三极管的放大作用

我们知道，把两个二极管背靠背的连在一起，是没有放大作用的，要想使它具有放大作用，必须做到以下几点：
1.发射区中掺杂
2.基区必须很薄
3.基点结的面积应很大
4.工作时，发射结应正向偏置，集电结应反向偏置

载流子的传输过程

因为发射结正向偏置，且发射区进行重掺杂，所以发射区的多数载流子扩散注入至基区，又由于集电结的反向作用，故注入至基区的载流子在基区形成浓度差，因此这些载流子从基区扩散至集电结，被电场拉至集电区形成集电极电流，而留在基区的很少，因为基区的很薄

电流的分配关系

放大系数有两种（直流和交流），但我们一般认为，它们二者是相等的，不区分它们。

三极管的特性曲线

特性曲线与它的三种接法：
1.共基极

2.共发射极

3.共集电极

NPN管

1.输入特性

它与PN结的正向特性相似，三极管的两个PN结相互影响，因此，输出电压Uce对输入特性有影响，且Uce>1时这两个PN结的输入特性基本重合。我们用Uce=0和Uce>=1，两条曲线表示：

2.输出特性

它的输出特性可分为三个区：

（1）截止区：Ib<=0时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电极电压等于电源电压，两个结均反偏
（2）饱和区：此时两个结均处于正向偏置，Uce=0.3V
（3）放大区：此时Ic = bIb，Ic基本不随Uce变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。

实用技巧

三颠倒，找基极；PN结，定管型；顺箭头，偏转大；测不准，动嘴巴。

三颠倒，找基极：
三极管是含有两个PN结的半导体器件。根据两个PN结连接方式不同，可以分为NPN型和PNP型两种不同导电类型的三极管；测试三极管要使用万用电表的欧姆挡，并选择R×100或R×1k挡位，假定我们并不知道被测三极管是NPN型还是PNP型，也分不清各管脚是什么电极。测试的第一步是判断哪个管脚是基极。这时，我们任取两个电极(如这两个电极为1、2)，用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻，观察电阻大小；接着，再取1、3两个电极和2、3两个电极，分别颠倒测量它们的正、反向电阻，观察电阻大小。在这三次颠倒测量中，必然有两次测量结果相近：即颠倒测量中一次电阻大，一次电阻小；剩下一次必然是颠倒测量前后电阻都是小的，这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。

PN结，定管型：
找出三极管的基极后，我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。将万用表的黑表笔接触基极，红表笔接触另外两个电极中的任一电极，若值很大，则说明被测三极管为NPN型；若值很小，则被测管即为PNP型。

顺箭头，偏转大：
找出了基极b，另外两个电极哪个是集电极c，哪个是发射极e呢?这时我们可以用测穿透电流ICEO的方法确定集电极c和发射极e。
(1) 对于NPN型三极管，穿透电流的测量电路。根据这个原理，用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec，偏大的一次电流的流向一定是：黑表笔→c极→b极→e极→红表笔，电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致顺箭头，所以此时黑表笔所接的一定是集电极c，红表笔所接的一定是发射极e。
(2) 对于PNP型的三极管，道理也类似于NPN型，其电流流向一定是：黑表笔→e极→b极→c极→红表笔，其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是发射极e，红表笔所接的一定是集电极c。

测不准，动嘴巴：
若在“顺箭头，偏转大”的测量过程中，若由于颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时，就要“动嘴巴”了。具体方法是：在“顺箭头，偏转大”的两次测量中，用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部，用嘴巴含住(或用舌头抵住)基电极b，仍用“顺箭头，偏转大”的判别方法即可区分开集电极c与发射极e。其中人体起到直流偏置电阻的作用，目的是使效果更加明显。

更多内容