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什么是晶体管-晶体管基础知识图解

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2020-01-15 浏览:-

什么是晶体管-晶体管基础知识图解

晶体管是一种固体半导体器件,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。

晶体管分类

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。

晶体管种类

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。半导体三极管是电路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。

半导体三极管主要分为两大类:双极性晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)。晶体管有三个极;双极性晶体管的三个极,分别由N型跟P型组成发射极(Emitter)、基极 (Base) 和集电极(Collector);场效应晶体管的三个极,分别是源极(Source)、栅极(Gate)和漏极(Drain)。晶体管因为有三种极性,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、集电极接地。最常用的用途应该是属于讯号放大这一方面,其次是阻抗匹配、讯号转换……等,晶体管在电路中是个很重要的组件,许多精密的组件主要都是由晶体管制成的。

三极管的导通 三极管处于放大状态还是开关状态要看给三极管基极加的直流偏 置,随这个电流变化,三极管工作状态由截止-线性区-饱和状态变化而变, 如果三极管Ib(直流偏置点)一定时,三极管工作在线性区,此时Ic电流的变化只随着Ib的交流信号变化,Ib继续升高,三极管进入饱和状态,此时三极管的Ic不再变化,三极管将工作在开关状态。

三极管为开关管使用时工作在饱和状态1,用放大状态1表示不是很科学。

请对照三极管手册的Ib;Ic曲线加以参考我的回答来理解三极管的工作状态,三极管be结和ce结导通三极管才能正常工作。

如果三极管没有加直流偏置时,放大电路时输入的交流正弦信号正半周时,基极对发射极而言是正的,由于发射结加的是反向电压,此时没有基极电流和集电极电流,此时集电极电流变化与基极反相,在输入电压的负半周,发射极电位对于基极电位为正的,此时由于发射极加的是正向电压,才有基极和集电极电流通过,此时集电极电流变化与基极同相,在三极管没有加直流偏置时三极管be结和ce结导通,三极管放大电路将只有半个波输出将产生严重的失真。

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。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,但是绝大多数的晶体管是和电阻、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成本是相当高的,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。

因为晶体管的低成本和后来的电子计算机、数字化信息的浪潮来到了。由于计算机提供快速的查找、分类和处理数字信息的能力,在信息数字化方面投入了越来越多的精力。今天的许多媒体是通过电子形式发布的,最终通过计算机转化和呈现为模拟形式。受到数字化革命影响的领域包括电视、广播和报纸。

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。

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。

双极晶体管

双极晶体管(bipolar transistor)指在音频电路中使用得非常普遍的一种晶体管。双极则源于电流系在两种半导体材料中流过的关系。双极晶体管根据工作电压的极性而可分为NPN型或PNP型。

双极结型

“双极”的含义是指其工作时电子和空穴这两种载流子都同时参与运动。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。

晶体管

场效应晶体管

“场效应”的含义是这种晶体管的工作原理是基于半导体的电场效应的。

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。场效应晶体管又包含两种主要类型:结型场效应管(Junction FET,缩写为JFET)和金属-氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide Semiconductor FET,缩写为MOS-FET)。与BJT不同的是,FET只由一种载流子(多数载流子)参与导电,因此也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件,具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

晶体管

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0-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。

静电感应

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。将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构,即可制成大功率的SIT器件。SIT是一种多子导电的器

件,其工作频率与电力MOSFET相当,甚至超过电力MOSFET,而功率容量也比电力MOSFET大,因而适用于高频大功率场合,目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。

晶体管

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。

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。

IGBT

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。

晶体管判别及计算

判别基极和管子的类型

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。

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。

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。

晶体管检测更换

电路中的晶体管主要有晶体二极管、晶体三极管、可控硅和场效应管等等,其中最常用的是三极管和二极管,如何正确地判断二、三极管的好坏等是学维修关键之一。

1晶体二极管:首先我们要知道该二极管是硅管还是锗管的,锗管的正向压降一般为0.1伏~0.3伏之间,而硅管一般为0.6伏~0.7伏之间。测量方法为:用两只万用表测量,当一只万用表测量其正向电阻的同时用另外一只万用表测量它的管压降。最后可根据其管压降的数值来判断是锗管还是硅管。硅管可用万用表的R×1K挡来测量,锗管可用R×100挡来测。一般来说,所测的二极管的正反向电阻两者相差越悬殊越好。一般如正向电阻为几百到几千欧,反向电阻为几十千欧以上,就可初步断定这个二极管是好的。同时可判定二极管的正负极,当测得的阻值为几百欧或几千欧时,为二极管的正向电阻,这时负表笔所接的为负极,正表笔所接的为正极。另外,如果正反向电阻为无穷大,表示其内部断线;正反向电阻一样大,这样的二极管也有问题;正反向电阻都为零表示已短路。

2晶体三极管: 晶体三极管主要起放大作用,那么如何来判测三极管的放大能力呢?其方法是:将万用表调到R×100挡或R×1K挡,当测NPN型管时,正表笔接发射极,负表笔接集电极,测出的阻值一般应为几千欧以上;然后在基极和集电极之间串接一个100千欧的电阻,这时万用表所测的阻值应明显的减少,变化越大,说明该三极管的放大能力越强,如果变化很小或根本没有变化,那就说明该三极管没有放大能力或放大能力很弱。

电极的判断方法

测量的锗管用R*100档,硅管用R*1k档,先固定红表笔与任意一支脚接触,黑表笔分别对其余两支脚测量。看能否找到两个小电阻,若不能再把红表笔移向其他的脚继续测量照顾到两个小电阻为止,若固定红线找不到两个小电阻,可固定黑表笔继续查找。

当找到两个小电阻后,所固定的一支表笔所用的为基极。若固定的表笔为黑笔,则三极管为NPN型,若固定的为红笔,则该管为PNP。

A 判断ce极电阻法

用万用表测量除基极为的两极的电阻,交换表笔测两次,如果是锗管,所测电阻较小的一次为准,若为PNP型,测黑表笔所接的为发射极,红表笔接的是集电极,若为NPN型,测黑表笔所接的为集电极,红表笔接的是发射极;如果是硅管,所测电阻较大的一次为准,若为PNP型,测黑表笔所接的为发射极,红表笔接的是集电极,若为NPN型,测黑表笔所接的为集电极,红表笔接的是发射极。

B PN结正向电阻法

分别测两PN结的正向电阻,较大的为发射极,较小的为集电极。

C 放大系数法

用万用表的两支表笔与基极除外的两支脚接触,若为PNP,则用手指接触基极与红笔所接的那一极看指针摆动的情况,然后交换表笔测一次,以指针摆动幅度大的一次为准,这时,接红表笔的为集电极;若为NPN,则用手指接触基极与红笔所接的那一极看指针摆动的情况,然后交换表笔测一次,以指针摆动幅度大的一次为准,这时,接黑表笔的为集电极。

注意:模拟表和数字表的区别,模拟表的红表笔接的是电源的负极,而数字表相反。

检测方法

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。

代换原则

无论是专业无线电维修人员。还是业余无线电爱好者,在工作中都会碰到晶体管置换问题。如果掌握了晶体管的代换原则,往往能使维修工作事半功倍,提高维修效率。晶体管的置换原则可概括为三条:即类型相同、特性相近、外形相似。

一、类型相同

1.材料相同。即锗管置换锗管,硅管置换硅管。

2.极性相同。即npn型管置换npn型管,pnp型管置换pnp型管。

二、特性相近

用于置换的晶体管应与原晶体管的特性相近,它们的主要参数值及特性曲线应相差不多。晶体管的主要参数近20个,要求所有这些参数都相近,不但困难,而且没有必要。一般来说,只要下述主要参数相近,即可满足置换要求。

1.集电板最大直流耗散功率(pcm)

一般要求用pcm与原管相等或较大的晶体管进行置换。但经过计算或测试,如果原晶体管在整机电路中实际直流耗散功率远小于其pcm,则可以用pcm较小的晶体管置换。

2.集电极最大允许直流电流(icm)

一般要求用icm与原管相等或较大的晶体管进行置换。

3.击穿电压

用于置换的晶体管,必须能够在整机中安全地承受最高工作电压;

来源:输配电设备网

4.频率特性

晶体管频率特性参数,常用的有以下2个:

(1)特征频率ft:它是指在测试频率足够高时,使晶体管共发射极电流放大系数时的频率。

(2)截止频率fb:

在置换晶体管时,主要考虑ft与fb。通常要求用于置换的晶体管,其ft与fb,应不小于原晶体管对应的ft与fb。

5.其他参数

除以上主要参数外,对于一些特殊的晶体管,在置换时还应考虑以下参数:

(1)对于低噪声晶体管,在置换时应当用噪声系数较小或相等的晶体管。

(2)对于具有自动增益控制性能的晶体管,在置换时应当用自动增益控制特性相同的晶体管。

(3)对于开关管,在置换时还要考虑其开关参数。

三、外形相似

小功率晶体管一般外形均相似,只要各个电极引出线标志明确,且引出线排列顺序与待换管一致,即可进行更换。大功率晶体管的外形差异较大,置换时应选择外形相似、安装尺寸相同的晶体管,以便安装和保持正常的散热条件。

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