半導(dǎo)體三極管基礎(chǔ)知識(shí)解析

三極管，全稱(chēng)應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱(chēng)雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)，也用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。

三極管是半導(dǎo)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(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。

三極管（也稱(chēng)晶體管）在中文含義里面只是對(duì)三個(gè)引腳的放大器件的統(tǒng)稱(chēng)，我們常說(shuō)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(shí)在英文里面的說(shuō)法是千差萬(wàn)別的，三極管這個(gè)詞匯其實(shí)也是中文特有的一個(gè)象形意義上的的詞匯。

電子三極管 Triode 這個(gè)是英漢字典里面“三極管”這個(gè)詞匯的唯一英文翻譯，這是和電子三極管最早出現(xiàn)有關(guān)系的，所以先入為主，也是真正意義上的三極管這個(gè)詞最初所指的物品。其余的那些被中文里叫做三極管的東西，實(shí)際翻譯的時(shí)候是絕對(duì)不可以翻譯成Triode的，否則就麻煩大咯，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f(shuō)，在英文里面根本就沒(méi)有三個(gè)腳的管子這樣一個(gè)詞匯！

電子三極管 Triode （俗稱(chēng)電子管的一種）

雙極型晶體管 BJT （Bipolar Junction Transistor）

J型場(chǎng)效應(yīng)管 Junction gate FET（Field Effect Transistor）

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOS FET （ Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistor）英文全稱(chēng)

V型槽場(chǎng)效應(yīng)管 VMOS （Vertical Metal Oxide Semiconductor ）

注：這三者看上去都是場(chǎng)效應(yīng)管，其實(shí)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 、V型槽溝道場(chǎng)效應(yīng)管 是 單極（Unipolar）結(jié)構(gòu)的，是和 雙極（Bipolar）是對(duì)應(yīng)的，所以也可以統(tǒng)稱(chēng)為單極晶體管（Unipolar Junction Transistor）

其中J型場(chǎng)效應(yīng)管是非絕緣型場(chǎng)效應(yīng)管，MOS FET 和VMOS都是絕緣型的場(chǎng)效應(yīng)管

VMOS是在 MOS的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種大電流，高放大倍數(shù)（跨道）新型功率晶體管，區(qū)別就是使用了V型槽，使MOS管的放大系數(shù)和工作電流大幅提升，但是同時(shí)也大幅增加了MOS的輸入電容，是MOS管的一種大功率改進(jìn)型產(chǎn)品，但是結(jié)構(gòu)上已經(jīng)與傳統(tǒng)的MOS發(fā)生了巨大的差異。VMOS只有增強(qiáng)型的而沒(méi)有MOS所特有的耗盡型的MOS管。

工作原理

理論原理

晶體三極管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N是負(fù)極的意思（代表英文中Negative），N型半導(dǎo)體在高純度硅中加入磷取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而P是正極的意思（Positive）是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)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(duì)于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱(chēng)為集電結(jié)，三條引線分別稱(chēng)為發(fā)射極e （Emitter）、基極b （Base）和集電極c （Collector）。如右圖所示

當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Eb。

在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過(guò)發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過(guò)發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱(chēng)為發(fā)射極電流子。

由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過(guò)集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：

Ie=Ib+Ic

這就是說(shuō)，在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)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(guān)系，即：

β1=Ic/Ib

式中：β1--稱(chēng)為直流放大倍數(shù)，

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(chēng)為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時(shí)β1和β的數(shù)值相差不大，所以有時(shí)為了方便起見(jiàn)，對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)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?。?/p>

式中：α1也稱(chēng)為直流放大倍數(shù)，一般在共基極組態(tài)放大電路中使用，描述了射極電流與集電極電流的關(guān)系。

α =△Ic/△Ie

表達(dá)式中的α為交流共基極電流放大倍數(shù)。同理α與α1在小信號(hào)輸入時(shí)相差也不大。

對(duì)于兩個(gè)描述電流關(guān)系的放大倍數(shù)有以下關(guān)系

β=α/（1-α）

三極管的電流放大作用實(shí)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(shí)際使用中常常通過(guò)電阻將三極管的電流放大作用轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?/p>

放大原理

1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子

電源Ub經(jīng)過(guò)電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上，發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷地越過(guò)發(fā)射結(jié)進(jìn)入基區(qū)，形成發(fā)射極電流Ie。同時(shí)基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但由于多數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)載流子濃度，可以不考慮這個(gè)電流，因此可以認(rèn)為發(fā)射結(jié)主要是電子流。

2、基區(qū)中電子的擴(kuò)散與復(fù)合

電子進(jìn)入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結(jié)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(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散，被集電結(jié)電場(chǎng)拉入集電區(qū)形成集電極電流Ic。也有很小一部分電子（因?yàn)榛鶇^(qū)很?。┡c基區(qū)的空穴復(fù)合，擴(kuò)散的電子流與復(fù)合電子流之比例決定了三極管的放大能力。

3、集電區(qū)收集電子

由于集電結(jié)外加反向電壓很大，這個(gè)反向電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)將擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）也會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，流向基區(qū)形成反向飽和電流，用Icbo來(lái)表示，其數(shù)值很小，但對(duì)溫度卻異常敏感。

產(chǎn)品分類(lèi)

a.按材質(zhì)分： 硅管、鍺管；

b.按結(jié)構(gòu)分： NPN 、 PNP。如圖所示；

c.按功能分： 開(kāi)關(guān)管、功率管、達(dá)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(jié)構(gòu)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。

結(jié)構(gòu)類(lèi)型

晶體三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把正塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。

從三個(gè)區(qū)引出相應(yīng)的電極，分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。

發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電結(jié)?；鶇^(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大，PNP型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是空穴，其移動(dòng)方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里；NPN型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是自由電子，其移動(dòng)方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)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(lèi)型。

三極管的封裝形式和管腳識(shí)別

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

底視圖位置放置，使三個(gè)引腳構(gòu)成等腰三角形的頂點(diǎn)上，從左向右依次為e b c；對(duì)于中小功率塑料三極管按圖使其平面朝向自己，三個(gè)引腳朝下放置，則從左到右依次為e b c。

國(guó)內(nèi)各種類(lèi)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(jìn)行測(cè)量確定各管腳正確的位置，或查找晶體管使用手冊(cè)，明確三極管的特性及相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和資料。

產(chǎn)品作用

晶體三極管具有電流放大作用，其實(shí)質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來(lái)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(chēng)為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號(hào)“β”表示。電流放大倍數(shù)對(duì)于某一只三極管來(lái)說(shuō)是一個(gè)定值，但隨著三極管工作時(shí)基極電流的變化也會(huì)有一定的改變。

工作狀態(tài)

截止?fàn)顟B(tài)

當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流都為零，三極管這時(shí)失去了電流放大作用，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)狀態(tài)，我們稱(chēng)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

放大狀態(tài)

當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并處于某一恰當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，這時(shí)基極電流對(duì)集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數(shù)β=ΔIc/ΔIb，這時(shí)三極管處放大狀態(tài)。

飽和導(dǎo)通

當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并當(dāng)基極電流增大到一定程度時(shí)，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不怎么變化，這時(shí)三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)我們稱(chēng)之為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

根據(jù)三極管工作時(shí)各個(gè)電極的電位高低，就能判別三極管的工作狀態(tài)，因此，電子維修人員在維修過(guò)程中，經(jīng)常要拿多用電表測(cè)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(tài)。

測(cè)判口訣

三極管的管型及管腳的判別是電子技術(shù)初學(xué)者的一項(xiàng)基本功，為了幫助讀者迅速掌握測(cè)判方法，筆者總結(jié)出四句口訣：“三顛倒，找基極；PN結(jié)，定管型；順箭頭，偏轉(zhuǎn)大；測(cè)不準(zhǔn)，動(dòng)嘴巴?！毕旅孀屛覀冎鹁溥M(jìn)行解釋吧。

1： 三顛倒，找基極

大家知道，三極管是含有兩個(gè)PN結(jié)的半導(dǎo)體器件。根據(jù)兩個(gè)PN結(jié)連接方式不同，可以分為NPN型和PNP型兩種不同導(dǎo)電類(lèi)型的三極管。

測(cè)試三極管要使用萬(wàn)用電表的歐姆擋，并選擇R×100或R×1k擋位。圖2繪出了萬(wàn)用電表歐姆擋的等效電路。紅表筆所連接的是表內(nèi)電池的負(fù)極，黑表筆則連接著表內(nèi)電池的正極。

假定我們并不知道被測(cè)三極管是NPN型還是PNP型，也分不清各管腳是什么電極。測(cè)試的第一步是判斷哪個(gè)管腳是基極。這時(shí)，我們?nèi)稳蓚€(gè)電極（如這兩個(gè)電極為1、2），用萬(wàn)用電表兩支表筆顛倒測(cè)量它的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度；接著，再取1、3兩個(gè)電極和2、3兩個(gè)電極，分別顛倒測(cè)量它們的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度。在這三次顛倒測(cè)量中，必然有兩次測(cè)量結(jié)果相近：即顛倒測(cè)量中表針一次偏轉(zhuǎn)大，一次偏轉(zhuǎn)??；剩下一次必然是顛倒測(cè)量前后指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，這一次未測(cè)的那只管腳就是我們要尋找的基極。

2：PN結(jié)，定管型

找出三極管的基極后，我們就可以根據(jù)基極與另外兩個(gè)電極之間PN結(jié)的方向來(lái)確定管子的導(dǎo)電類(lèi)型。將萬(wàn)用表的黑表筆接觸基極，紅表筆接觸另外兩個(gè)電極中的任一電極，若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很大，則說(shuō)明被測(cè)三極管為NPN型管；若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很小，則被測(cè)管即為PNP型。

3：順箭頭，偏轉(zhuǎn)大

找出了基極b，另外兩個(gè)電極哪個(gè)是集電極c，哪個(gè)是發(fā)射極e呢？這時(shí)我們可以用測(cè)穿透電流ICEO的方法確定集電極c和發(fā)射極e。

（1） 對(duì)于NPN型三極管，穿透電流的測(cè)量電路。根據(jù)這個(gè)原理，用萬(wàn)用電表的黑、紅表筆顛倒測(cè)量?jī)蓸O間的正、反向電阻Rce和Rec，雖然兩次測(cè)量中萬(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，但仔細(xì)觀察，總會(huì)有一次偏轉(zhuǎn)角度稍大，此時(shí)電流的流向一定是：黑表筆→c極→b極→e極→紅表筆，電流流向正好與三極管符號(hào)中的箭頭方向一致順箭頭，所以此時(shí)黑表筆所接的一定是集電極c，紅表筆所接的一定是發(fā)射極e。

（2） 對(duì)于PNP型的三極管，道理也類(lèi)似于NPN型，其電流流向一定是：黑表筆→e極→b極→c極→紅表筆，其電流流向也與三極管符號(hào)中的箭頭方向一致，所以此時(shí)黑表筆所接的一定是發(fā)射極e，紅表筆所接的一定是集電極c。

4：測(cè)不出，動(dòng)嘴巴

若在“順箭頭，偏轉(zhuǎn)大”的測(cè)量過(guò)程中，若由于顛倒前后的兩次測(cè)量指針偏轉(zhuǎn)均太小難以區(qū)分時(shí)，就要“動(dòng)嘴巴”了。具體方法是：在“順箭頭，偏轉(zhuǎn)大”的兩次測(cè)量中，用兩只手分別捏住兩表筆與管腳的結(jié)合部，用嘴巴含?。ɑ蛴蒙囝^抵?。┗姌Ob，仍用“順箭頭，偏轉(zhuǎn)大”的判別方法即可區(qū)分開(kāi)集電極c與發(fā)射極e。其中人體起到直流偏置電阻的作用，目的是使效果更加明顯。

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