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半導體三極管

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半導體三極管(Bipolar Junction Transistor)，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號， 也用作無觸點開關。

晶體三極管，是半導體基本元器件之一，也是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上製作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區，兩側部分是發射區和集電區，排列方式有PNP和NPN兩種。

晶體三極管具有電流放大作用，其實質是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。

基本內容

中文名：三極管

別名：晶體三極管

材料：半導體

功能：控制電路

外文名：Bipolar Junction Transistor

發明時間：1947年

應用領域：實現電流放大

排列方式：PNP、NPN

基本釋義

什麼是三極管 （也稱晶體管）在中文含義裡面只是對三個引腳的放大器件的統稱，我們常說的三極管，可能是 如圖所示的幾種器件。

可以看到，雖然都叫三極管，其實在英文裡面的說法是千差萬別的，三極管這個詞彙其實也是中文特有的一個象形意義上的的詞彙。

電子三極管 Triode 這個是英漢字典裡面「三極管」這個詞彙的唯一英文翻譯，這是和電子三極管最早出現有關係的，所以先入為主，也是真正意義上的三極管這個詞最初所指的物品。其餘的那些被中文裡叫做三極管的東西，實際翻譯的時候是絕對不可以翻譯成Triode的，否則就麻煩大咯，嚴謹地說，在英文裡面根本就沒有三個腳的管子這樣一個詞彙！

電子三極管 Triode （俗稱 電子管的一種）

雙極型 晶體管 BJT （Bipolar Junction Transistor）

J型 場效應管 Junction gate FET（Field Effect Transistor）

金屬氧化物半導體場效應晶體管 MOS FET ( Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistor)英文全稱

V型槽場效應管 VMOS （Vertical Metal Oxide Semiconductor ）

註：這三者看上去都是場效應管，其實金屬氧化物半導體場效應晶體管 、V型槽溝道場效應管 是 單極（Unipolar）結構的，是和 雙極（Bipolar）是對應的，所以也可以統稱為 單極晶體管（Unipolar Junction Transistor）

其中J型場效應管是非絕緣型 場效應管，MOS FET 和VMOS都是絕緣型的場效應管

VMOS是在 MOS的基礎上改進的一種大電流，高放大倍數（跨道）新型功率晶體管，區別就是使用了V型槽，使MOS管的放大係數和工作電流大幅提升，但是同時也大幅增加了MOS的輸入電容，是MOS管的一種大功率改進型產品，但是結構上已經與傳統的MOS發生了巨大的差異。VMOS只有增強型的而沒有MOS所特有的耗盡型的MOS管

發展歷史

1947年12月23日，美國 新澤西州墨累山的 貝爾實驗室里，3位科學家—— 巴丁博士、布萊頓博士和 肖克萊博士在緊張而又有條不紊地做着實驗。他們在導體電路中正在進行用半導體晶體把聲音信號放大的實驗。3位科學家驚奇地發現，在他們發明的器件中通過的一部分微量電流，竟然可以控制另一部分流過的大得多的電流，因而產生了放大效應。這個器件，就是在科技史上具有劃時代意義的成果——晶體管。因它是在聖誕節前夕發明的，而且對人們未來的生活發生如此巨大的影響，所以被稱為「獻給世界的聖誕節禮物」。這3位科學家因此共同榮獲了1956年 諾貝爾物理學獎。

新研究發現，在晶體管電子流出端的襯底外，沉積一層對應材料，能形成一個半導體致冷P-N結構，因為N材料的電子能級低，P材料的電子能級高，當電子流過時，需要從襯底吸入熱量，這就為晶體管核心散熱提供一個很好的途徑。因為帶走的熱量會與電流的大小成正比例，業內也稱形象地把這個稱為「電子血液」散熱技術。根據添加新材料的極性位置不同，新的致冷三極管分別叫做N-PNP或NPN-P。

晶體管促進並帶來了「固態革命」，進而推動了全球範圍內的半導體電子工業。作為主要部件，它及時、普遍地首先在通訊工具方面得到應用，並產生了巨大的經濟效益。由於晶體管徹底改變了 電子線路的結構，集成電路以及 大規模集成電路應運而生，這樣製造像高速電子計算機之類的高精密裝置就變成了現實。

工作原理

理論原理

晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N是負極的意思（代表英文中Negative），N型半導體在高純度硅中加入磷取代一些硅原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而P是正極的意思（Positive）是加入硼取代硅，產生大量空穴利於導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。

對於NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾着一塊P型半導體所組成，發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結,而集電區與基區形成的PN結稱為集電結,三條引線分別稱為 發射極e （Emitter）、 基極b (Base)和 集電極c (Collector)。如右圖所示

當b點電位高於e點電位零點幾伏時，發射結處於正偏狀態，而C點電位高於b點電位幾伏時，集電結處於反偏狀態，集電極電源Ec要高於基極電源Eb。

在製造三極管時，有意識地使發射區的多數載流子濃度大於基區的，同時基區做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源後，由於發射結正偏，發射區的多數載流子（電子）及基區的多數載流子（空穴）很容易地越過發射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大於後者，所以通過發射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發射極電流子。

由於基區很薄,加上集電結的反偏，注入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區的空穴進行複合，被複合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據電流連續性原理得：

Ie=Ib+Ic

這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關係，即：

β1=Ic/Ib

式中：β1--稱為直流放大倍數，

集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：

β= △Ic/△Ib

式中β--稱為交流 電流放大倍數，由於低頻時β1和β的數值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區分，β值約為幾十至一百多。

α1=Ic/Ie(Ic與Ie是直流通路中的電流大小)

式中：α1也稱為直流放大倍數，一般在共基極組態放大電路中使用，描述了射極電流與集電極電流的關係。

α =△Ic/△Ie

表達式中的α為交流共基極電流放大倍數。同理α與α1在小信號輸入時相差也不大。

對於兩個描述電流關係的放大倍數有以下關係

三極管的電流放大作用實際上是利用基極電流的微小變化去控制集電極電流的巨大變化。

三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常通過電阻將三極管的電流放大作用轉變為電壓放大作用。

放大原理

1、發射區向基區發射電子

電源Ub經過電阻Rb加在發射結上，發射結正偏，發射區的多數載流子(自由電子）不斷地越過發射結進入基區，形成發射極電流Ie。同時基區多數載流子也向發射區擴散，但由於多數載流子濃度遠低於發射區載流子濃度，可以不考慮這個電流，因此可以認為發射結主要是電子流。

2、基區中電子的擴散與複合

電子進入基區後，先在靠近發射結的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區中向集電結擴散，被集電結電場拉入集電區形成集電極電流Ic。也有很小一部分電子（因為基區很薄）與基區的空穴複合，擴散的電子流與複合電子流之比例決定了三極管的放大能力。

3、集電區收集電子

由於集電結外加反向電壓很大，這個反向電壓產生的電場力將阻止集電區電子向基區擴散，同時將擴散到集電結附近的電子拉入集電區從而形成集電極主電流Icn。另外集電區的少數載流子（空穴）也會產生漂移運動，流向基區形成反向飽和電流，用Icbo來表示，其數值很小，但對溫度卻異常敏感。

產品分類

a.按材質分: 硅管、鍺管

b.按結構分: NPN 、 PNP。如圖所示。

c.按功能分: 開關管、功率管、 達林頓管、光敏管等.

d. 按功率分：小功率管、中功率管、大功率管

e.按工作頻率分：低頻管、高頻管、超頻管

f.按結構工藝分：合金管、平面管

g.按安裝方式:插件三極管、貼片三極管

產品參數

特徵頻率fT

當f= fT時,三極管完全失去電流放大功能.如果工作頻率大於fT,電路將不正常工作.

fT稱作增益帶寬積，即fT=βfo。若已知當前三極管的工作頻率fo以及高頻電流放大倍數，便可得出特徵頻率fT。隨着工作頻率的升高，放大倍數會下降．fT也可以定義為β=1時的頻率．

電壓電流

用這個參數可以指定該管的電壓電流使用範圍.

hFE

電流放大倍數.

VCEO

集電極發射極反向擊穿電壓,表示臨界飽和時的飽和電壓.

PCM

最大允許耗散功率.

封裝形式

指定該管的外觀形狀,如果其它參數都正確，封裝不同將導致組件無法在電路板上實現.

判斷類型

三極管的腳位判斷，三極管的腳位有兩種封裝排列形式，如右圖：

三極管是一種結型 電阻器件，它的三個引腳都有明顯的電阻數據，測試時（以數字萬用表為例，紅筆+，黒筆-）我們將測試檔位切換至 二極管檔 （蜂鳴檔）標誌符號如右圖：

正常的NPN結構三極管的基極（B）對集電極（C）、發射極（E）的正向電阻是430Ω-680Ω（ 根據型號的不同，放大倍數的差異，這個值有所不同）反向電阻無窮大；正常的PNP 結構的三極管的基極（B）對集電極（C）、發射極（E）的反向電阻是430Ω-680Ω，正向電阻無窮大。集電極C對發射極E在不加偏流的情況下，電阻為無窮大。基極對集電極的測試電阻約等於基極對發射極的測試電阻，通常情況下，基極對集電極的測試電阻要比基極對發射極的測試電阻小5-100Ω左右（大功率管比較明顯），如果超出這個值，這個元件的性能已經變壞，請不要再使用。如果誤使用於電路中可能會導致整個或部分電路的工作點變壞，這個元件也可能不久就會損壞，大功率電路和高頻電路對這種劣質元件反應比較明顯。

儘管封裝結構不同，但與同參數的其它型號的管子功能和性能是一樣的，不同的封裝結構只是應用於電路設計中特定的使用場合的需要。

要注意有些廠家生產一些不規範元件，例如C945正常的腳位是BCE，但有的廠家出的此元件腳位排列卻是EBC，這會造成那些粗心的工作人員將新元件在未檢測的情況下裝入電路，導致電路不能工作，嚴重時燒毀相關聯的元器件，比如電視機上用的開關電源。

在我們常用的萬用表中，測試三極管的腳位排列圖：

先假設三極管的某極為「基極」,將黑表筆接在假設基極上,再將紅表筆依次接到其餘兩個電極上,若兩次測得的電阻都大(約幾K到幾十K),或者都小(幾百至幾K),對換表筆重複上述測量,若測得兩個阻值相反(都很小或都很大),則可確定假設的基極是正確的,否則另假設一極為「基極」,重複上述測試,以確定基極.

當基極確定後,將黑表筆接基極,紅表筆筆接其它兩極若測得電阻值都很少,則該三極管為PNP,反之為NPN

判斷集電極C和發射極E,以NPN為例:

把黑表筆接至假設的集電極C,紅表筆接到假設的發射極E,並用手捏住B和C極,讀出表頭所示C,E電阻值,然後將紅,黑表筆反接重測.若第一次電阻比第二次小,說明原假設成立.

結構類型

晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上製作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把正塊半導體分成三部分，中間部分是基區，兩側部分是發射區和集電區，排列方式有PNP和NPN兩種，

從三個區引出相應的電極，分別為基極b發射極e和集電極c。

發射區和基區之間的PN結叫發射結，集電區和基區之間的PN結叫集電結。基區很薄，而發射區較厚，雜質濃度大，PNP型三極管發射區"發射"的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發射極箭頭向里；NPN型三極管發射區"發射"的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，故發射極箭頭向外。發射極箭頭向外。發射極箭頭指向也是PN結在正向電壓下的導通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。

三極管的封裝形式和管腳識別

常用三極管的封裝形式有金屬封裝和塑料封裝兩大類，引腳的排列方式具有一定的規律，

底視圖位置放置，使三個引腳構成等腰三角形的頂點上，從左向右依次為e b c；對於中小功率塑料三極管按圖使其平面朝向自己，三個引腳朝下放置，則從左到右依次為e b c。

國內各種類型的晶體三極管有許多種，管腳的排列不盡相同，在使用中不確定管腳排列的三極管，必須進行測量確定各管腳正確的位置，或查找晶體管使用手冊，明確三極管的特性及相應的技術參數和資料。

產品作用

晶體三極管具有電流放大作用，其實質是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數，用符號「β」表示。電流放大倍數對於某一隻三極管來說是一個定值，但隨着三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。

工作狀態

截止狀態

當加在三極管發射結的電壓小於PN結的導通電壓，基極電流為零，集電極電流和發射極電流都為零，三極管這時失去了電流放大作用，集電極和發射極之間相當於開關的斷開狀態，我們稱三極管處於截止狀態。

放大狀態

當加在三極管發射結的電壓大於PN結的導通電壓，並處於某一恰當的值時，三極管的發射結正向偏置，集電結反向偏置，這時基極電流對集電極電流起着控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數β=ΔIc/ΔIb，這時三極管處放大狀態。

飽和導通

當加在三極管發射結的電壓大於PN結的導通電壓，並當基極電流增大到一定程度時，集電極電流不再隨着基極電流的增大而增大，而是處於某一定值附近不怎麼變化，這時三極管失去電流放大作用，集電極與發射極之間的電壓很小，集電極和發射極之間相當於開關的導通狀態。三極管的這種狀態我們稱之為飽和導通狀態。

根據三極管工作時各個電極的電位高低，就能判別三極管的工作狀態，因此，電子維修人員在維修過程中，經常要拿多用電錶測量三極管各腳的電壓，從而判別三極管的工作情況和工作狀態。

產品判別

三極管基極的判別：根據三極管的結構示意圖，我們知道三極管的基極是三極管中兩個PN結的公共極，因此，在判別三極管的基極時，只要找出兩個PN結的公共極，即為三極管的基極。具體方法是將多用電錶調至電阻擋的R×1k擋，先用紅表筆放在三極管的一隻腳上，用黑表筆去碰三極管的另兩隻腳，如果兩次全通，則紅表筆所放的腳就是三極管的基極。如果一次沒找到，則紅表筆換到三極管的另一個腳，再測兩次；如還沒找到，則紅表筆再換一下，再測兩次。如果還沒找到，則改用黑表筆放在三極管的一個腳上，用紅表筆去測兩次看是否全通，若一次沒成功再換。這樣最多沒量12次，總可以找到基極。

三極管類型的判別： 三極管只有兩種類型，即PNP型和NPN型。判別時只要知道基極是P型材料還N型材料即可。當用多用電錶R×1k擋時，紅表筆代表電源正極，如果紅表筆接基極時導通，則說明三極管的基極為P型材料，三極管即為NPN型。如果黑表筆接基極導通，則說明三極管基極為N型材料，三極管即為PNP型。