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您的位置网站首页>>电子入门>>第五节 三极管
责任编辑:刘昆山

  一、三极管的定义

  三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管,晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号, 也用作无触点开关。
  什么是三极管,也称晶体管?

  在中文含义里面只是对三个引脚的放大器件的统称,我们常说的三极管,可能是如图所示的几种器件:

  晶体三极管,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结把正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,从三个区引出相应的电极,分别为基极b发射极e和集电极c。

  发射区和基区之间的PN结叫发射结,集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄,而发射区较厚,杂质浓度大,PNP型三极管发射区"发射"的是空穴,其移动方向与电流方向一致,故发射极箭头向里;NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子,其移动方向与电流方向相反,故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。如图所示:

  可以看到,虽然都叫三极管,其实在英文里面的说法是千差万别的,三极管这个词汇其实也是中文特有的一个象形意义上的的词汇。

  电子三极管 Triode 这个是英汉字典里面“三极管”这个词汇的唯一英文翻译,这是和电子三极管最早出现有关系的,所以先入为主,也是真正意义上的三极管这个词最初所指的物品。其余的那些被中文里叫做三极管的东西,实际翻译的时候是绝对不可以翻译成Triode的,否则就麻烦大咯,严谨的说,在英文里面根本就没有三个脚的管子这样一个词汇!

  电子三极管 Triode (俗称电子管的一种)

  双极型晶体管 BJT (Bipolar Junction Transistor)

  J型场效应管 Junction gate FET(Field Effect Transistor)

  金属氧化物半导体场效应晶体管 MOS FET ( Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistor)英文全称

  V型槽场效应管 VMOS (Vertical Metal Oxide Semiconductor )

  注:这三者看上去都是场效应管,其实结构千差万别

  J型场效应管 金属氧化物半导体场效应晶体管 V沟道场效应管 是 单极(Unipolar)结构的,是和 双极(Bipolar)是对应的,所以也可以统称为单极晶体管(Unipolar Junction Transistor)

  其中J型场效应管是非绝缘型场效应管,MOS FET 和VMOS都是绝缘型的场效应管

  VMOS是在MOS的基础上改进的一种大电流,高放大倍数(跨道)新型功率晶体管,区别就是使用了V型槽,使MOS管的放大系数和工作电流大幅提升,但是同时也大幅增加了MOS的输入电容,是MOS管的一种大功率改经型产品,但是结构上已经与传统的MOS发生了巨大的差异。VMOS只有增强型的而没有MOS所特有的耗尽型的MOS管。

  二、三极管的分类:

  a.按材质分: 硅管、锗管

  b.按结构分: NPN 、 PNP。

  c.按功能分: 开关管、功率管、达林顿管、光敏管等.

  d. 按功率分:小功率管、中功率管、大功率管

  e.按工作频率分:低频管、高频管、超频管

  f.按结构工艺分:合金管、平面管

  g.按安装方式:插件三极管、贴片三极管 插件三极管

  三、三极管的主要参数

a. 特征频率fT
  :当f= fT时,三极管完全失去电流放大功能.如果工作频率大于fT,电路将不正常工作.
b. 工作电压/电流
  用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围.
c. hFE
  电流放大倍数.
d. VCEO
  集电极发射极反向击穿电压,表示临界饱和时的饱和电压.
e. PCM
  最大允许耗散功率.
f. 封装形式
  指定该管的外观形状,如果其它参数都正确,封装不同将导致组件无法在电路板上实现.

  四、判断基极和三极管的类型

 三极管的脚位判断,三极管的脚位有两种封装排列形式,如右图:


  三极管是一种结型电阻器件,它的三个引脚都有明显的电阻数据,测试时(以数字万用表为例,红笔+,黒笔-)我们将测试档位切换至 二极管档 (蜂鸣档)标志符号:
  正常的NPN结构三极管的基极(B)对集电极(C)、发射极(E)的正向电阻是430Ω-680Ω(根据型号的不同,放大倍数的差异,这个值有所不同)反向电阻无穷大;

  正常的PNP 结构的三极管的基极(B)对集电极(C)、发射极(E)的反向电阻是430Ω-680Ω,正向电阻无穷大。集电极C对发射极E在不加偏流的情况下,电阻为无穷大。基极对集电极的测试电阻约等于基极对发射极的测试电阻,通常情况下,基极对集电极的测试电阻要比基极对发射极的测试电阻小5-100Ω左右(大功率管比较明显),如果超出这个值,这个元件的性能已经变坏,请不要再使用。如果误使用于电路中可能会导致整个或部分电路的工作点变坏,这个元件也可能不久就会损坏,大功率电路和高频电路对这种劣质元件反应比较明显。 尽管封装结构不同,但与同参数的其它型号的管子功能和性能是一样的,不同的封装结构只是应用于电路设计中特定的使用场合的需要。

  要注意有些厂家生产一些不规范元件,例如C945正常的脚位是BCE,但有的厂家出的此元件脚位排列却是EBC,这会造成那些粗心的工作人员将新元件在未检测的情况下装入电路,导致电路不能工作,严重时烧毁相关联的元器件,比如电视机上用的开关电源。   
  在我们常用的万用表中,测试三极管的脚位排列图:

  先假设三极管的某极为“基极”,将黑表笔接在假设基极上,再将红表笔依次接到其余两个电极上,若两次测得的电阻都大(约几K到几十K),或者都小(几百至几K),对换表笔重复上述测量,若测得两个阻值相反(都很小或都很大),则可确定假设的基极是正确的,否则另假设一极为“基极”,重复上述测试,以确定基极.

  当基极确定后,将黑表笔接基极,红表笔笔接其它两极若测得电阻值都很少,则该三极管为NPN,反之为PNP.

  判断集电极C和发射极E,以NPN为例:

  把黑表笔接至假设的集电极C,红表笔接到假设的发射极E,并用手捏住B和C极,读出表头所示C,E电阻值,然后将红,黑表笔反接重测.若第一次电阻比第二次小,说明原假设成立.

  三极管的封装形式和管脚识别

  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。     目前,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。

  晶体三极管的电流放大作用

  晶体三极管具有电流放大作用,其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数,用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值,但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。

  晶体三极管的三种工作状态

  截止状态:

  当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压,基极电流为零,集电极电流和发射极电流都为零,三极管这时失去了电流放大作用,集电极和发射极之间相当于开关的断开状态,我们称三极管处于截止状态。

  放大状态:

  当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并处于某一恰当的值时,三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置,这时基极电流对集电极电流起着控制作用,使三极管具有电流放大作用,其电流放大倍数β=ΔIc/ΔIb,这时三极管处放大状态。

  饱和导通状态:

  当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并当基极电流增大到一定程度时,集电极电流不再随着基极电流的增大而增大,而是处于某一定值附近不怎么变化,这时三极管失去电流放大作用,集电极与发射极之间的电压很小,集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。

  根据三极管工作时各个电极的电位高低,就能判别三极管的工作状态,因此,电子维修人员在维修过程中,经常要拿多用电表测量三极管各脚的电压,从而判别三极管的工作情况和工作状态。

  使用多用电表检测三极管

  三极管基极的判别:根据三极管的结构示意图,我们知道三极管的基极是三极管中两个PN结的公共极,因此,在判别三极管的基极时,只要找出两个PN结的公共极,即为三极管的基极。具体方法是将多用电表调至电阻挡的R×1k挡,先用红表笔放在三极管的一只脚上,用黑表笔去碰三极管的另两只脚,如果两次全通,则红表笔所放的脚就是三极管的基极。如果一次没找到,则红表笔换到三极管的另一个脚,再测两次;如还没找到,则红表笔再换一下,再测两次。如果还没找到,则改用黑表笔放在三极管的一个脚上,用红表笔去测两次看是否全通,若一次没成功再换。这样最多没量12次,总可以找到基极。

  三极管类型的判别: 三极管只有两种类型,即PNP型和NPN型。判别时只要知道基极是P型材料还N型材料即可。当用多用电表R×1k挡时,黑表笔代表电源正极,如果黑表笔接基极时导通,则说明三极管的基极为P型材料,三极管即为NPN型。如果红表笔接基极导通,则说明三极管基极为N型材料,三极管即为PNP型。

  三极管的基本放大电路

  基本放大电路是放大电路中最基本的结构,是构成复杂放大电路的基本单元。它利用双极型半导体三极管输入电流控制输出电流的特性,或场效应半导体三极管输入电压控制输出电流的特性,实现信号的放大。基本放大电路的知识是进一步学习电子技术的重要基础。   
  基本放大电路一般是指由一个三极管或场效应管组成的放大电路。从电路的角度来看,可以将基本放大电路看成一个双端口网络。放大的作用体现在如下方面:

  1.放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号,输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大,输出信号的能量得到了加强。

  2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的,只是经过三极管的控制,使之转换成信号能量,提供给负载。

  共射组态基本放大电路的组成

  共射组态基本放大电路是输入信号加在加在基极和发射极之间,耦合电容器C1和Ce视为对交流信号短路。输出信号从集电极对地取出,经耦合电容器C2隔除直流量,仅将交流信号加到负载电阻RL之上。放大电路的共射组态实际上是指放大电路中的三极管是共射组态。   在输入信号为零时,直流电源通过各偏置电阻为三极管提供直流的基极电流和直流集电极电流,并在三极管的三个极间形成一定的直流电压。由于耦合电容的隔直流作用,直流电压无法到达放大电路的输入端和输出端。

  当输入交流信号通过耦合电容C1和Ce加在三极管的发射结上时,发射结上的电压变成交、直流的叠加。放大电路中信号的情况比较复杂,各信号的符号规定如下:由于三极管的电流放大作用,ic要比ib大几十倍,一般来说,只要电路参数设置合适,输出电压可以比输入电压高许多倍。uCE中的交流量 有一部分经过耦合电容到达负载电阻,形成输出电压。完成电路的放大作用。

  由此可见,放大电路中三极管集电极的直流信号不随输入信号而改变,而交流信号随输入信号发生变化。在放大过程中,集电极交流信号是叠加在直流信号上的,经过耦合电容,从输出端提取的只是交流信号。因此,在分析放大电路时,可以采用将交、直流信号分开的办法,可以分成直流通路和交流通路来分析。

  放大电路的组成原则:

  1.保证放大电路的核心器件三极管工作在放大状态,即有合适的偏置。也就是说发射结正偏,集电结反偏。

  2.输入回路的设置应当使输入信号耦合到三极管的输入电极,形成变化的基极电流,从而产生三极管的电流控制关系,变成集电极电流的变化。

  3.输出回路的设置应该保证将三极管放大以后的电流信号转变成负载需要的电量形式(输出电压或输出电流)。
三极管的符号

  五、测判三极管的口诀

  三极管的管型及管脚的判别是电子技术初学者的一项基本功,为了帮助读者迅速掌握测判方法,笔者总结出四句口诀:

  “三颠倒,找基极;PN结,定管型;顺箭头,偏转大;测不准,动嘴巴。”

  下面让我们逐句进行解释吧。

  1、 三颠倒,找基极

  大家知道,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。图2绘出了万用电表欧姆挡的等效电路。红表笔所连接的是表内电池的负极,黑表笔则连接着表内电池的正极。

  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,观察表针的偏转角度;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,观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测量中,必然有两次测量结果相近:即颠倒测量中表针一次偏转大,一次偏转小;剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小,这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。

  2、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,若表头指针偏转角度很大,则说明被测三极管为NPN型管;若表头指针偏转角度很小,则被测管即为PNP型。

   3、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,虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小,但仔细观察,总会有一次偏转角度稍大,此时电流的流向一定是: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。

   4、测不出,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。

  六、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表示在高纯度硅中加入磷,是指取代一些硅原子,在电压刺激下产生自由电子导电,而p是加入硼取代硅,产生大量空穴利于导电)。两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的,下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。

  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、基极b和集电极c。

  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Ebo。

  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,但因前者的浓度基大于后者,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流了。

  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集电流Ic,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Ibo.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。

  三极管是一种电流放大器件,但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用,通过电阻转变为电压放大作用。

  三极管放大时管子内部的工作原理

  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。

  七、三极管的选型与替换

型号

材料与极性

Pcm(W)

Icm(mA)

BVcbo(V)

ft(MHz)

3DG6C

SI-NPN

0.1

20

45

>100

3DG7C

SI-NPN

0.5

100

>60

>100

3DG12C

SI-NPN

0.7

300

40

>300

3DG111

SI-NPN

0.4

100

>20

>100

3DG112

SI-NPN

0.4

100

60

>100

3DG130C

SI-NPN

0.8

300

60

150

3DG201C

SI-NPN

0.15

25

45

150

C9011

SI-NPN

0.4

30

50

150

C9012

SI-PNP

0.625

-500

-40

 

C9013

SI-NPN

0.625

500

40

 

C9014

SI-NPN

0.45

100

50

150

C9015

SI-PNP

0.45

-100

-50

100

C9016

SI-NPN

0.4

25

30

620

C9018

SI-NPN

0.4

50

30

1.1G

C8050

SI-NPN

1

1.5A

40

190

C8550

SI-PNP

1

-1.5A

-40

200

2N5551

SI-NPN

0.625

600

180

 

2N5401

SI-PNP

0.625

-600

160

100

2N4124

SI-NPN

0.625

200

30

300

  八、 三极管的发明历史

   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、布菜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”。另外这3位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。

  晶体管促进并带来了“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。

  三极管是人类最伟大的发明,诺贝尔奖也无法呈现出“他”巨大的历史意义,看似简单又极其普通的信号放大功能,本质上是连接了“意识”与“行为”,而此正是生命的特征。可以说三极管的发明标识着人类具备了只有上帝才拥有的创造生命的能力。

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