晶体管的结构与工作原理解析

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。晶体管实际上是所有现代电器的关键活动(active)元件，并且是最重要的一种半导体器件之一，它的放大作用和开关作用，促使了电子技术的飞跃。它的出现为集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。那么什么晶体管?其又是如何工作的?下面一起来看看：

1.晶体管概念

晶体管(transistor)是一种固体半导体器件(包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，有时特指双极型器件)，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关(如Relay、switch)不同，晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。

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。

图1 晶体管

2.工作原理

图2中的S是指源极(Source)，D是指漏极(Drain)，G是栅极(Gate)。晶体管的工作原理其实很简单，就是用两个状态表示二进制的“0”和“1”。

源极和漏极之间是沟道(Channel)，当没有对栅极(G)施加电压的时候，沟道中不会聚集有效的电荷，源极(S)和漏极(S)之间不会有有效电流产生，晶体管处于关闭状态。可以把这种关闭的状态解释为“0”。

图2 晶体管关闭状态

当对栅极(G)施加电压的时候，沟道中会聚集有效的电荷，形成一条从源极(S)到漏极(D)导通的通道，晶体管处于开启状态，如图3所示，可以把这种状态解释为“1”。这样二进制的两个状态就由晶体管的开启和关闭状态表示出来了。

图3 晶体管开启状态

3.基本结构

晶体管的基本结构是由两个PN结构成，按PN结的组成方式分为NPN型和PNP型两种，如图1所示。无论NPN还是PNP都有三个区：集电区、基区、发射区。由三个区引现的电极分别称为集电极、基极、发射极。两个PN结分别称为发射结和集电结。

图4 双极型晶体管的结构示意图和图形符号

晶体管的结构特点：发射区的掺杂浓度最高;集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大;基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。

4.优越性

同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：

4.1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，称得起永久性器件的美名。

4.2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。

4.3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，非得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。

4.4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。

图5 晶体管外形

5.选用技巧

(1)用于开关线路，则偏向选用电流比较大，饱和压降小的管，对管的耐压要求可适当放宽。因为耐压和电流是一对互相矛盾的参数，要两全其美的话必然增加成本。为了能进入饱和状态，避免出现关不断的情况，除了选好管之外，对线路偏置很重要。通常在IC保持不变情况下增大IB的电流，或IB保持不变情况下减小IC电流。

(2)用于高压电路，主要考虑漏电流要小，热稳定性要好，避免击穿电压有软特性、蠕变情况。最好能加保护电路。

(3)用于普通放大，主要考虑HFE输出的线性要好，工作区宽，静态工作点最好选择HFE的测试条件，即HFE分档的测试条件。

(4)用于高频线路，主要考虑是fT参数，而且要跟线路板相匹配，PCB板上的电容、电感都回影响其使用。

(5)用于功率放大，主要考虑其功率的承受范围，管装上后管体发热情况怎样，周围环境温度如何，散热通风是否良好。PCM=TJM-TA/RT

PC(T)=PCM(TJM-T/TJM-TA)

6.判别与计算

6.1判别基极和类型

选用欧姆档的R*100(或R*1K)档，先用红表笔接一个管脚，黑表笔接另一个管脚，可测出两个电阻值，然后再用红表笔接另一个管脚，重复上述步骤，又测得一组电阻值，这样测3次，其中有一组两个阻值都很小的，对应测得这组值的红表笔接的为基极，且管子是PNP型的;反之，若用黑表笔接一个管脚，重复上述做法，若测得两个阻值都小，对应黑表笔为基极，且管子是NPN型的。

6.2判别集电极

因为三极管发射极和集电极正确连接时β大(表针摆动幅度大)，反接时β就小得多。因此，先假设一个集电极，用欧姆档连接，(对NPN型管，发射极接黑表笔，集电极接红表笔)。测量时，用手捏住基极和假设的集电极，两极不能接触，若指针摆动幅度大，而把两极对调后指针摆动小，则说明假设是正确的，从而确定集电极和发射极。

6.3电流放大系数β的估算

选用欧姆档的R*100(或R*1K)档，对NPN型管，红表笔接发射极，黑表笔接集电极，测量时，只要比较用手捏住基极和集电极(两极不能接触)，和把手放开两种情况小指针摆动的大小，摆动越大，β值越高。

以上就是晶体管的概念、工作原理、结构与优越性介绍了。由于其响应速度快，准确性高，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域，可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。

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