晶体管

这些设备由通常用于放大或开关目的的半导体材料制成,也可以用于控制电压和电流的流动。它还用于将输入信号放大为扩展区输出信号。晶体管通常是由半导体材料制成的固态电子设备。电流的循环可以通过添加电子来改变。该过程使电压变化成比例地影响输出电流中的许多变化,从而使放大倍增。除了大多数电子设备外,并非所有的电子设备都包含一种或多种类型的晶体管。某些晶体管单独放置或通常放置在集成电路中,这些晶体管会根据状态应用而有所不同。

“晶体管是三脚昆虫型组件,在某些设备中单独放置但是在计算机中,它被封装成数以百万计的小芯片。”

晶体管由三层半导体组成,它们具有保持电流的能力。诸如硅和锗之类的导电材料具有在导体和被塑料线包围的绝缘体之间传输电流的能力。半导体材料通过某种化学程序(称为半导体掺杂)进行处理。如果硅中掺有砷,磷和锑,它将获得一些额外的电荷载流子,即电子,称为 N型或负半导体;而如果硅中掺有其他杂质(如硼),镓,铝,它将获得较少的电荷载流子,即空穴,被称为 P型或正半导体。

严格意义上讲,晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管(二端子)、三极管、场效应管、晶闸管(后三者均为三端子)等。晶体管有时多指晶体三极管。

三端子晶体管主要分为两大类:双极性晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET,单极性)。晶体管有三个极(端子);双极性晶体管的三个极(端子),分别是由N型、P型半导体组成的发射极(Emitter)、基极(Base) 和集电极(Collector);场效应晶体管的三个极(端子),分别是源极(Source)、栅极(Gate)和漏极(Drain)。

晶体管因为有三个电极,所以也有三种的使用方式,分别是发射极接地(又称共射放大、CE组态)、基极接地(又称共基放大、CB组态)和集电极接地(又称共集放大、CC组态、发射极随耦器)。

同电子管相比,晶体管具有诸多优越性:

构件没有消耗

无论多么优良的电子管,都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因,晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善,晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍。

消耗电能极少

仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去,这对电子管收音机来说,是难以做到的。

不需预热

一开机就工作。例如,晶体管收音机一开就响,晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后,等一会儿才听得到声音,看得到画面。显然,在军事、测量、记录等方面,晶体管是非常有优势的。

结实可靠

比电子管可靠100倍,耐冲击、耐振动,这都是电子管所无法比拟的。另外,晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一,放热很少,可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密,但工序简便,有利于提高元器件的安装密度。

材料

按晶体管使用的半导体材料可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管。按晶体管的极性可分为锗NPN型晶体管、锗PNP晶体管、硅NPN型晶体管和硅PNP型晶体管。

工艺

晶体管按其结构及制造工艺可分为扩散型晶体管、合金型晶体管和平面型晶体管。

电流容量

晶体管按电流容量可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。

工作频率

晶体管按工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管等。

封装结构

晶体管按封装结构可分为金属封装(简称金封)晶体管、塑料封装(简称塑封)晶体管、玻璃壳封装(简称玻封)晶体管、表面封装(片状)晶体管和陶瓷封装晶体管等。其封装外形多种多样。

按功能和用途

晶体管按功能和用途可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等多种类型。

晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。

放大系数

直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数,是指在静态无变化信号输入时,晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值,一般用hFE或β表示。

交流放大倍数

交流放大倍数,也即交流电流放大系数、动态电流放大系数,是指在交流状态下,晶体管集电极电流变化量△IC与基极电流变化量△IB的比值,一般用hfe或β表示。

hFE或β既有区别又关系密切,两个参数值在低频时较接近,在高频时有一些差异。

耗散功率

耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM,是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。

耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。晶体管在使用时,其实际功耗不允许超过PCM值,否则会造成晶体管因过载而损坏。

通常将耗散功率PCM小于1W的晶体管称为小功率晶体管,PCM等于或大于1W、小于5W的晶体管被称为中功率晶体管,将PCM等于或大于5W的晶体管称为大功率晶体管。

特征频率fT 晶体管的工作频率超过截止频率fβ或fα时,其电流放大系数β值将随着频率的升高而下降。特征频率是指β值降为1时晶体管的工作频率。

通常将特征频率fT小于或等于3MHZ的晶体管称为低频管,将fT大于或等于30MHZ的晶体管称为高频管,将fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶体管称为中频管。

最高频率fM

最高振荡频率是指晶体管的功率增益降为1时所对应的频率。

通常,高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截止频率fα,而特征频率fT则高于共基极截止频率fα、低于共集电极截止频率fβ。

最大电流

集电极最大电流(ICM)是指晶体管集电极所允许通过的最大电流。当晶体管的集电极电流IC超过ICM时,晶体管的β值等参数将发生明显变化,影响其正常工作,甚至还会损坏。

最大反向电压

最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加的最高工作电压。它包括集电极—发射极反向击穿电压、集电极—基极反向击穿电压和发射极—基极反向击穿电压。

集电极——集电极反向击穿电压

该电压是指当晶体管基极开路时,其集电极与发射极之间的最大允许反向电压,一般用VCEO或BVCEO表示。

基极—— 基极反向击穿电压

该电压是指当晶体管发射极开路时,其集电极与基极之间的最大允许反向电压,用VCBO或BVCBO表示。

发射极——发射极反向击穿电压

该电压是指当晶体管的集电极开路时,其发射极与基极与之间的最大允许反向电压,用VEBO或BVEBO表示。

集电极——基极之间的反向电流ICBO

ICBO也称集电结反向漏电电流,是指当晶体管的发射极开路时,集电极与基极之间的反向电流。ICBO对温度较敏感,该值越小,说明晶体管的温度特性越好。

集电极——发射极之间的反向击穿电流ICEO ICEO是指当晶体管的基极开路时,其集电极与发射极之间的反向漏电电流,也称穿透电流。此电流值越小,说明晶体管的性能越好。

1. 双极结型晶体管

   
   

双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT)又称为半导体三极管,它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件,有PNP和NPN两种组合结构;外部引出三个极:集电极,发射极和基极,集电极从集电区引出,发射极从发射区引出,基极从基区引出(基区在中间);BJT有放大作用,重要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电区而实现的,为了保证这一传输过程,一方面要满足内部条件,即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度,同时基区厚度要很小,另一方面要满足外部条件,即发射结要正向偏置(加正向电压)、集电结要反偏置;BJT种类很多,按照频率分,有高频管,低频管,按照功率分,有小、中、大功率管,按照半导体材料分,有硅管和锗管等;其构成的放大电路形式有:共发射极、共基极和共集电极放大电路。

2.场效应晶体管

场效应晶体管(field effect transistor)利用场效应原理工作的晶体管。英文简称FET。场效应就是改变外加垂直于半导体表面上电场的方向或大小,以控制半导体导电层(沟道)中多数载流子的密度或类型。它是由电压调制沟道中的电流,其工作电流是由半导体中的多数载流子输运。这类只有一种极性载流子参加导电的晶体管又称单极型晶体管。与双极型晶体管相比,场效应晶体管具有输入阻抗高、噪声小、极限频率高、功耗小,制造工艺简单、温度特性好等特点,广泛应用于各种放大电路、数字电路和微波电路等。以硅材料为基础的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)和以砷化镓材料为基础的肖特基势垒栅场效应管(MESFET)是两种最重要的场效应晶体管,分别为MOS大规模集成电路和MES超高速集成电路的基础器件。

3.绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)综合了电力晶体管(Giant Transistor—GTR)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)的优点,具有良好的特性,应用领域很广泛;IGBT也是三端器件:栅极,集电极和发射极。

IGBT是MOS结构双极器件,属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器(逆变器)、照相机的频闪观测器、感应加热(InductionHeating)电饭锅等领域。根据封装的不同,IGBT大致分为两种类型,一种是模压树脂密封的三端单体封装型,从TO-3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD (FleeWheelDiode)成对地(2或6组)封装起来的模块型,主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同,分为多种形状及封装方式,都已形成系列化。

4.静电感应晶体管

静电感应晶体管SIT(Static Induction Transistor)诞生于1970年,实际上是一种结型场效应晶体管。它具有输入阻抗高、输出功率大、开关特性好、热稳定性好以抗辐射能力强等特点。SIT在结构设计上采用多单元集成技术,因而可制成高压大功率器件。它不仅能工作在开关状态,作为大功率电流开关,而且也可以作为功率放大器,用于大功率中频发射机、长波电台、差转机、高频感应加热装置以及雷达等方面。目前,SIT的产品已达到电压1500V、电流300A、耗散功率3kW、截止频率30～50MHz。

但是SIT在栅极不加任何信号时是导通的,栅极加负偏压时关断,这被称为正常导通型器件,使用不太方便。此外,SIT通态电阻较大,使得通态损耗也大,因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

5.单电子晶体管

用一个或者少量电子就能记录信号的晶体管。随着半导体刻蚀技术和工艺的发展,大规模集成电路的集成度越来越高。以动态随机存储器(DRAM)为例,它的集成度差不多以每两年增加四倍的速度发展,预计单电子晶体管将是最终的目标。目前一般的存储器每个存储元包含了20万个电子,而单电子晶体管每个存储元只包含了一个或少量电子,因此它将大大降低功耗,提高集成电路的集成度。1989年斯各特(J.H. F.Scott-Thomas)等人在实验上发现了库仑阻塞现象。在调制掺杂异质结界面形成的二维电子气上面,制作一个面积很小的金属电极,使得在二维电子气中形成一个量子点,它只能容纳少量的电子,也就是它的电容很小,小于一个?F (10-15法拉)。当外加电压时,如果电压变化引起量子点中电荷变化量不到一个电子的电荷,则将没有电流通过。直到电压增大到能引起一个电子电荷的变化时,才有电流通过。因此电流-电压关系不是通常的直线关系,而是台阶形的。这个实验在历史上第一次实现了用人工控制一个电子的运动,为制造单电子晶体管提供了实验依据。为了提高单电子晶体管的工作温度,必须使量子点的尺寸小于10纳米,目前世界各实验室都在想各种办法解决这个问题。有些实验室宣称已制出室温下工作的单电子晶体管,观察到由电子输运形成的台阶型电流-电压曲线,但离实用还有相当的距离。

6.电力晶体管

电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管,是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT),所以有时也称为Power BJT;其特性有:耐压高,电流大,开关特性好,但驱动电路复杂,驱动功率大;GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。

7.光晶体管

光晶体管(phototransistor)由双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件。光在这类器件的有源区内被吸收,产生光生载流子,通过内部电放大机构,产生光电流增益。光晶体管三端工作,故容易实现电控或电同步。光晶体管所用材料通常是砷化镓(GaAs),主要分为双极型光晶体管、场效应光晶体管及其相关器件。双极型光晶体管通常增益很高,但速度不太快,对于GaAs-GaAlAs,放大系数可大于1000,响应时间大于纳秒,常用于光探测器,也可用于光放大。场效应光晶体管响应速度快(约为50皮秒),但缺点是光敏面积小,增益小(放大系数可大于10),常用作极高速光探测器。与此相关还有许多其他平面型光电器件,其特点均是速度快(响应时间几十皮秒)、适于集成。这类器件可望在光电集成中得到应用。

1.普通达林顿管的检测

普通达林顿管内部由两只或多只晶体管的集电极连接在一起复合而成,其基极b 与发射极e之间包含多个发射结。检测时可使用万用表的R×1 kΩ或R×10 kΩ档来测量。

测量达林顿管各电极之间的正、反向电阻值。正常时,集电极c与基极b之间的正向电阻值(测NPN 管时,黑表笔接基极b;测PNP 管时,黑表笔接集电极c)与普通硅晶体管集电结的正向电阻值相近,为3～10 kΩ,反向电阻值为无穷大。而发射极e与基极b之间的正向电阻值(测NPN 管时,黑表笔接基极b;测PNP 管时,黑表笔接发射极e)是集电极c与基极b之间正向电阻值的2～3 倍,反向电阻值为无穷大。集电极c与发射极e之间的正、反向电阻值均应接近无穷大。若测得达林顿管的c、e极间的正、反向电阻值或b、e极、b、c极之间的正、反向电阻值均接近0,则说明该管已击穿损坏。若测得达林顿管的b、e极b、c极之间的正、反向电阻值为无穷大,则说明该管已开路损坏。

2.大功率达林顿管的检测

大功率达林顿在普通达林顿管的基础上增加了由续流二极管和泄放电阻组成的保护电路,在测量时应注意这些元器件对测量数据的影响。

用万用表R×1 kΩ 或R×10 kΩ 档,测量达林顿管集电结(集电极c与基极b之间)的正、反向电阻值。正常时,正向电阻值(NPN 管的基极接黑表笔时)应较小,为1～10 kΩ,反向电阻值应接近无穷大。若测得集电结的正、反向电阻值均很小或均为无穷大,则说明该管已击穿短路或开路损坏。

用万用表R×100 Ω 档,测量达林顿管发射极e与基极b之间的正、反向电阻值,正常值均为几百欧姆至几千欧姆(具体数据根据b、e极之间两只电阻器的阻值不同而有所差异。例如:BU932R、MJ10025 等型号大功率达林顿管b、e极之间的正、反向电阻值均为600 Ω左右),若测得阻值为0 或为无穷大,则说明被测管已损坏。

用万用表R×l kΩ或R×10 kΩ档,测量达林顿管发射极e与集电极c之间的正、反向电阻值。正常时,正向电阻值(测NPN 管时,黑表笔接发射极e,红表笔接集电极c;测PNP 管时,黑表笔接集电极c,红表笔接发射极e)应为5～15 kΩ(BU932R 为7 kΩ),反向电阻值应为无穷大,否则是该管的c、e极(或二极管)击穿或开路损坏。