晶体三极管的作用及检测.docx
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晶体三极管的作用及检测
晶体三极管的作用及检测
2008-05-1810:
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晶体三极管具有放大、开关、振荡、混频、频率变换等作用，通常晶体三极管可以处理的功率至几百W，频率至几百MHz左右。
这样的晶体三极管是在一个本征半导体中由三层n型半导体和p型半导体构成的。
本章学习晶体三极管所具有的NPN型和PNP型结构以有晶体三极管的命名方法，并且从称为基极、集电极、发射极的三个电极中流过的电流值来研究晶体三极管中电流的流动方法和作用。
然后，为了能够正确地作用晶体三极管，对晶体三极管的最大额定值、晶体三极管上施加的电压和电流的关系等进行分析。
2.1晶体三极管是P型和N型半导体和有机组合
2.1.1晶体三极管的各种各样形状和名称
晶体三极管有三只脚，有的金属壳相当于其中一只脚。
如图2.1所示，对应于不同的用途，有各种各样形状的三极管。
另外，晶体三极管的名称根据ＪＩＳ 。
从晶体三极管的名称，我们可以了解其大致的用途和结构。
2.1.2晶体三极管的结构和电路符号
晶体三极管按结构粗分有npn型和pnp型两种类型。
Npn型，两端是n型半导体，中间是p型半导体。
Pnp型如同图（b）所示，两端是p型半导体，中间是n型半导体。
，被夹在中间的p型以及n型半导体部分，宽度只有数微米程度，非常的薄，这一部分称为基区（base:
B）。
夹住基区的两个半导体中一个称为发射区（emitter:
E），另一个称为集电区（collector:
C）。
还有，发射区和集电区，例如在npn型的情况下，虽然都是n型的，但发射区与集电区相比，具有杂质浓度高出数百倍，并且交界面面积小等在结构上的不同。
同图（c）、（d）是npn型以及pnp型晶体三极管的电路符号。
发射极中电流的流向用箭头表示，当为npn型时箭头向外，当为pnp型时箭头向内。
2.2晶体三极管究竟起着什么样的作用
2.2.1对晶体三极管一加上电压，其作用就明白了
晶体三极管的工作原理
图2.4所示的是通过在晶体三极管的基极B、集电极C、发射极E上施加电压，来观察电压和电流关系的电路。
（1）基极电流IB不流通时在图2.4中，开关S一断开，则由于基极开路，所以IB（基极电流）就不流通。
这时只对晶体三极管的C、E间施加电压VCE（集电极电压），观察IC（集电极电流）、IE（发射极电流）的变化，结果如表2.1所示。
（2）基极电流流通时在图2.4中，开关S一闭合，则由于B、E间加有电压，所以基极电流IB流通。
这时，对应于VCE和IB的变化，IC和IE的变化如表2.2所示。
（3）从表2.1、2.2的结果，可以看出晶体三极管具有以下的工作原理：
① 即使加有集电极电压，但在基极电流不流通时，集电极电流、发射极电流也都不流通。
这样的状态称为晶体三极管的截止（OFF）状态。
② 加上集电极电压，由基极电流的微量流通，在集电极可获得大的电流流通，这样的状态称为晶体三极管的导通（ON）状态。
③基极电流流通时，即使改变集电极电压的大小，集电极电流的大小也不大变化。
④使基极电流产生微小的变化，就可以使得集电极电流产生较大的变化。
⑤基极电流与集电极电流之和变成发射极电流，因此，下面的关系式成立。
IE=IB+IC
（发射极电流）=（基极电流）+（集电极电流）
（b）晶体三极管的作用
基极电流IB、集电极电流IC，也分别称为输入电流和输出电流，输出电流与输入电流相比有相当的增大，此现象称为放大。
这里，IC与IB的比称为直流电流放大倍数hFE，如下式所示：
晶体三极管的直流电流放大倍数的数值通常大多在50～1000左右的范围内。
因此，根据（3）中的第①、②条，晶体三极管具有在ON，OFF状态间转换的开关作用和放大作用
2.2.2晶体三极管中电子和空穴的运动
根据基极电流的有无，集电极中有无电流流通的原因在于晶体三极管中电子与空穴的运动。
基极电流不流通时
如图2.7所示，由于在C、B之间加上了反向电压，所以在C、B的pn结中的集电区域内的电子被E2的正电压吸引。
因此，产生了耗尽层，没有从集电极向发射极的电子和空穴的移动，因而无电流流通。
（b）基极电流流通时
如图2.8所示，由于在B、E之间加上了正电压，所以发射极区内的电子因E1的负电压被排斥，与进入基区的空穴结合。
因为由于结合消失的电子，从电源E1的阴极得到补充，所以B、E之间电流流通。
当发射区的电子流入基极时，由于基区极薄，作为结合对象的空穴很少，因此电子中的大部分穿过基区进入集电区。
然后一边扩散一边被E2的正电压吸引。
像这样，发射区的电子借助于施加在基极的正电压的力量，可将多余的电子送往集电区。
即可以有较大的集电极电流流通。
2.2.3晶体三极管电压的施加方法
到目前为止，我们叙述了有关npn型晶体三极管的工作原理，对pnp型若以空穴的运动为中心来考察的话，也是一样的。
并且，为了使晶体三极管正常工作，若是npn型管，则如图2.8和图2.6（a）那样，若是pnp型管则如图2.6（b）那样，分别在B、E间加上正电压，在C、E间加上反向电压。
即加上与发射极的箭头方向一致的两个电压。
2.3晶体三极管的使用方法
2.3.1为了不毁坏晶体三极管要遵守最大极限值
晶体三极管使用时与二极管一样，对于电压、电流、功率、温度等都有最大极限值，因为即使是瞬间超过所规定的最大极限值，管子也立即毁坏，所以使用时必须十分注意。
晶体三极管的最大极限值有如下的一些参数（参照表2.3）。
（a）集电极·基极间电压VCBO
如图2.10（a）所示，发射极开路，集电极-基极间的电压不断加大，则晶体三极管发生毁坏式的雪崩现象，集电极电流IC突然流出（参照同图（b））
这时的电压称为VCBO，V是voltage（电压），C是集电极，B是基极，O是指C、B以外的电极即E为open（开路）的意思。
VCBO的值越高越好，选择晶体三极管时，VCBO大约为所使用电源电压的两倍的管子较好。
还有，同图（c）表示的是pnp型的情况。
集电极·发射极间电压VCEO
是基极开路时集电极-发射极间的电压，与VCBO的情况一样，是集电极电流突然流出时所对应的电压。
即VCEO表示集电极·发射极间的耐压，通常，或与VCBO相等，或较其还要小
发射极·基极间电压VEBO
是集电极开路时发射极-基极间的电压，是发射极电流突然流出时所对应的电压。
即若将发射极-基极间作为pn结型二极管考虑，由VEBO就相当于二极管的反向耐压，表示发射极-基极间的耐压。
（d）最大允许集电极电流IC
是能够流过集电极的最大直流电流，又是交流电流的平均值。
在选择晶体三极管时，选用额定值大约为通常使用状态最大电流的两倍以上的管子为好。
特别是功率晶体三极管，绝不允许瞬间最大电流超过额定值。
（e）最大允许集电极耗散功率PC
是集电极-发射极间消耗的功率，为集电极电流IC与集电极-发射极间电压VCE的乘积，即将PC=ICVCE称为集电极耗散功率。
由于集电极的耗散功率在集电极的pn结内转换为热，导致晶体三极管内部温度上升，会烧坏管子（参照图2.11）。
这里，有关PC必须注意的问题是即使PC在额定值以内，但IC和VCE也不能超过其各自的额定值。
例如，图2.12为晶体三极管2SC1815的情况，虚线表示PC和IC、VCE的最大极限，使用时绝不能采用虚线以下部分的值。
并且集电极的功耗还与周围温度Ta有关。
即晶体三极管自身一被加热，周围的温度就上升，就导致集电极电流增加，晶体三极管则变得更热。
如此反复地恶性循环称为热击穿，最终导致管子毁坏（参照图2.13）。
因此，特别是对于功率三极管，散热板使用铝板和铁板制成。
还有，到目前为止讨论的周围温度通常为25○C，在小型晶体三极管的场合，不需要散热板
但是，周围温度一变为25○C以上，散热效果就变差，晶体三极管所能允许的集电极功耗的值如图2.14所示变得小了。
因此，小型晶体三极管的场合，最好选择晶体三极管的电源电压和使用时集电极电流的乘积在最大允许集电极功耗的一半以下。
（f）结温Tj
是能够使晶体三极管正常工作的最大结温。
通常锗管为75～85○C，硅管为125～175○C。
2.3.2在电路设计中晶体三极管的电气特性具有重要作用
晶体三极管的电气特性表示三极管的性质，成为使三极管在最为有效的良好状态下工作的设计标准（参照表2.4）。
集电极截止电流ICBO
如图2.15所示，若在集电极-基极间加上反向电压，则集电极中流过极小的电流。
这个电流称为集电极截止电流，该值越小的晶体三极管越好，但随着温度的上升和条件恶化，该值会变大。
（b）直流电流放大系数hFE
如前所述，在直流情况下对应于基极电流的变化集电极电流变化的比率称为直流电流放大倍数。
如果hFE的值在50以上，就可实际应用，但如图2.16所示由于受集电极电流和周围温度影响， hFE发生变化，所以规格表中记录的必定是测量值。
（c）特征频率fT
是交流电流放大倍数hfe变为1时的频率，表征晶体三极管的高频特性（参照图2.17）。
（d）集电极输出电容Cob
表示集电极和基极间的静电电容，该值大的晶体三极管，由于在高频时放大倍数下降，所以不适合用于高频。
（e）噪声指数ＮＦ
是输出信号和输入信号中的噪声之比，越是对小信号进行放大的电路，越是要使用该值小的晶体三极管。
用万用表检测晶体三极管的好坏
如图2.9（a）、（b）所示，可以将发射极与基极间看作为一个pn结二极管，基极与集电极间看作为另一个pn结二极管，这两个二极管为背靠背串联连接。
因此，Ｅ、Ｂ间及Ｂ、Ｃ间若没有短路，则三极管就是正常的（参照同图（c））。
用静态特性描述晶体三极管的伏－安特性
我们虽然已经学习了有关晶体三极管的电压施加方法和管内电流的结构组成，但是在使用时还必须知道施加多大的电压会有多大的电流流通。
这里，表征这一伏－安行特性的曲线就是晶体三极管的静态特性。
只要把晶体三极管插入夹在称为示波器的仪器上（参照图2.18），晶体三极管的静态特性就能立刻在显象管上描绘出来，也可以如图2.20所示，利用电压、电流表进行测定。
同图中，发射极是与基极和集电极及电源的公共连接点（称为共发射极电路），该电路用于测定ＶＢＥ、ＶＣＥ两个电压和ＩＢ、ＩＣ两个电流。
因此，可以画出四条特性曲线，但由于ＶＣＥ－ＶＢＥ曲线几乎很少使用而常常省略，故主要使用下面三条曲线。
ＶＢＥ－ＩＢ特性曲线（输入特性）
保持ＶＣＥ不变时的ＶＢＥ和ＩＢ的关系（参照图2.21）。
但是，因为该特性不大随ＶＣＥ而变，所以通常ＶＣＥ数伏才用一条特性曲线表示。
（b）ＶＣＥ－ＩＣ特性曲线（输出特性）
保持IB变时的VCE和IC的关系（参照图2.22）。
（c）IB-IC特性曲线
保持ＶＣＥ不变时的ＩＢ和ＩＣ的关系。
但是，ＶＣＥ与在ＶＢＥ-ＩＢ特性曲线中的情况一样，数伏特为一格（参照图示2.19）。
本章小结
晶体三极管的结构和电路符号以及IB、IC、IE之间的关系
直流电流放大倍数hFE
集电极直流电流IC与基极直流电流IB之比：
hFE=IC/IB
对晶体三极管施加电压的方法
在基极-发射极间加上正向电压，集电极-发射极间加上反向电压。
晶体三极管的极限参数
使用晶体三极管时，必须不超过如下的极限参数。
集电极-基极间电压VCBO，集电极-发射极间电压VCEO，发射极-基极间电压VEBO，集电极电流IC，集电极功耗PC（PC=ICVCE）,pn结温度Tj。
晶体三极管的静态特性
是晶体三极管的伏-安特性的曲线图表示，常使用的特性曲线有以上三种：
VBE-IB（输入）特性曲线；VCE-IC（输出）特性曲线；IB-IC特性曲线
1、特点：
晶体三极管（简称三极管）是内部含有2个PN结，并且具有放大能力的特殊器件。
它分NPN型和PNP型两种类型，这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。
电话机中常用的PNP型三极管有：
A92、9015等型号；NPN型三极管有：
A42、9014、9018、9013、9012等型号。
2、晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，在常见电路中有三种接法。
为了便于比较，将晶体管三种接法电路所具有的特点列于下表，供大家参考。
名称共发射极电路共集电极电路（射极输出器）共基极电路
输入阻抗中（几百欧～几千欧）大（几十千欧以上）小（几欧～几十欧）
输出阻抗中（几千欧～几十千欧）小（几欧～几十欧）大（几十千欧～几百千欧）
电压放大倍数大小（小于1并接近于1）大
电流放大倍数大（几十）大（几十）小（小于1并接近于1）
功率放大倍数大（约30～40分贝）小（约10分贝）中（约15～20分贝）
频率特性高频差好好
八、场效应晶体管放大器
1、场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。
尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。
2、场效应管分成结型和绝缘栅型两大类，其控制原理都是一样的。
3、场效应管与晶体管的比较
（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。
在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。
（2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。
被称之为双极型器件。
（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。
（4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。
三极管的结构和分类
其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。
通俗来讲，三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。
上述三层结构即为三极管的三个区,中间比较薄的一层为基区，另外两层同为N型或P型，其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区，另一层则为集电区。
三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起放大作用的内部条件。
三个区各自引出三个电极，分别为基极（b）、发射极（e）和集电极（c）。
如图b所示，三层结构可以形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。
三极管符号中的箭头方向就是表示发射结的方向。
三极管内部结构中有两个具有单向导电性的PN结，因此当然可以用作开关元件，但同时三极管还是一个放大元件，正是它的出现促使了电子技术的飞跃发展。
2三极管的电流放大作用
直流电压源Vcc应大于Vbb，从而使电路满足放大的外部条件：
发射结正向偏置，集电极反向偏置。
改变可调电阻Rb，基极电流IB，集电极电流Ic和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可以得出以下结论：
（1）IE＝IB＋IC（符合克希荷夫电流定理）
（2）IC≈IB×?
（?
称为电流放大系数，可表征三极管的电流放大能力）
（3）△IC≈△IB×?
由上可见，三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。
3三极管的放大原理
以下用NPN三极管为例说明其内部载流子运动规律和电流放大
原理，
1、发射区向基区扩散电子：
由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。
2、电子在基区扩散和复合：
由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流IB，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。
3、集电区收集从发射区扩散过来的电子：
由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。
4三极管的输入输出特性
三极管的输入特性是指当集-射极电压UCE为常数时，基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。
对硅管而言，当UCE超过1V时，集电结已经达到足够反偏，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。
如果此时再增大UCE，只要UBE保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定），IB也就基本不变。
就是说，当UCE超过1V后的输入特性曲线基本上是重合的。
由图可见，和二极管的伏安特性一样，三极管的输入特性也有一段死区，只有当UBE大于死区电压时，三极管才会出现基极电流IB。
通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。
在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压UBE为0.6～0.7V，PNP型锗管的发射结电压UBE为-0.2～-0.3V。
三极管的输出特性是指当基极电流IB一定时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。
在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。
通常把输出特性曲线分为三个工作区：
1、放大区：
输出特性曲线的近于水平部分是放大区。
在放大区,IC＝IB×?
由于在不同IB下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。
三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使UBE>0，UBC<0。
2、截止区：
IB＝0的曲线以下的区域称为截止区。
实际上，对NPN硅管而言，当UBE＜0.5V时即已开始截止，但是为了使三极管可靠截止，常使UBE≤0V，此时发射结和集电结均处于反向偏置。
3、饱和区：
输出特性曲线的陡直部分是饱和区，此时IB的变化对IC的影响较小，放大区的?
不再适用于饱和区。
在饱和区，UCE＜UBE，发射结和集电结均处于正向偏置。
场效应管
场效应管按其结构的不同可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两种类型。
下面以前一种场效应管为例简述其工作原理。
一个N沟道结型场效应管工作状态也可以分成三个区:
1.可变电阻区此时I随外加电压的增加而减小（而此时电阻在增大）。
2.恒流区I趋于恒定。
3.夹断区I=0
当UDS＞UGS-UGS（off），即管子工作在恒流区时，由于UDS对ID的影响很小，所以不同的UDS所对应的转移特性曲线基本上是重合
晶体管，本名是半导体三极管，是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。
它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。
输入级和输出级都采用晶体管的逻辑电路，叫做晶体管－晶体管逻辑电路，书刊和实用中都简称为TTL电路，它属于半导体集成电路的一种，其中用得最普遍的是TTL与非门。
TTL与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造在一块很小的硅片上，封装成一个独立的元件.晶体管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一，在电路中用“V”或“VT”（旧文字符号为“Q”、“GB”等）表示。
晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术，汽车和电话等的发明相提并论。
晶体管实己上是所有现代电器的关键活动（active）元件。
晶体管在当今社会的重要性主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力，因而可以不可思议地达到极低的单位成本。
虽然数以百万计的单体晶体管还在使用，绝大多数的晶体管是和二极管|-{A|zh-cn:
二极管;zh-tw:
二极体}-，电阻，电容一起被装配在微芯片（芯片）上以制造完整的电路。
模拟的或数字的或者这两者被集成在同一块芯片上。
设计和开发一个复杂芯片的生本是相当高的，但是当分摊到通常百万个生产单位上，每个芯片的价格就是最小的。
一个逻辑门包含20个晶体管，而2005年一个高级的微处理器使用的晶体管数量达2.89亿个。
晶体管的低成本，灵活性和可靠性使得其成为非机械任务的通用器件，例如数字计算。
在控制电器和机械方面，晶体管电路也正在取代电机设备，因为它通常是更便宜，更有效地仅仅使用标准集成电路并编写计算机程序来完成同样的机械任务，使用电子控制，而不是设计一个等效的机械控制。
2如何用万用表检测三极管的好坏
普通三极管好坏的判断方法很多,主要是利用万用表来判断.将指针万用表打到x1K欧姆挡,现在说说测NPN型三极管的好坏.将黑表笔与三极管基极相连,分别测三极管基极与发射极,基极与集电极之间的电阻,这两种情况下的电阻值均为千欧（若三极管为锗管,阻值为1k欧左右;若为硅管,阻值为7k欧左右）.对调一下表笔,再测发射结和集电结的电阻,其阻值均为无穷大.由此可初步判定此三极管是好的.否则说明此三极管是坏的.下面可进一步判断三极管的好坏.将万用表打到x10k挡,用红黑表笔测三极管发射极和集电极之间的电阻,然后对调一下表笔再测一次.这两次所测得的电阻有一次应为无穷大,另一次为几百到几千千欧.由以上即可判定此三极管为好的.如果两次测得三极管发射极和集电极之间的电阻都为零或都为无穷大,则说明三极管发射极和集电极之间短路或开路,此三极管已不再可用.对于PNP型三极管,用上面的方法判断时将万用表的红黑表笔对调一下即可.
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