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  • 晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理詳解
    • 發(fā)布時間:2024-09-23 21:11:19
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    晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理詳解
    晶體管被認為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一,在重要性方面可以與印刷術(shù),汽車和電話等的發(fā)明相提并論。晶體管實際上是所有現(xiàn)代電器的關(guān)鍵活動(active)元件,并且是最重要的一種半導(dǎo)體器件之一,它的放大作用和開關(guān)作用,促使了電子技術(shù)的飛躍。它的出現(xiàn)為集成電路、微處理器以及計算機內(nèi)存的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。那么什么晶體管?其又是如何工作的?下面一起來看看:
    1.晶體管概念
    晶體管(transistor)是一種固體半導(dǎo)體器件(包括二極管、三極管、場效應(yīng)管、晶閘管等,有時特指雙極型器件),具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關(guān),能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機械開關(guān)(如Relay、switch)不同,晶體管利用電訊號來控制自身的開合,而且開關(guān)速度可以非常快,實驗室中的切換速度可達100GHz以上。
    嚴格意義上講,晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件,包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管(二端子)、三極管、場效應(yīng)管、晶閘管(后三者均為三端子)等。晶體管有時多指晶體三極管。
    晶體管結(jié)構(gòu) 工作原理
    圖1 晶體管
    2.工作原理
    圖2中的S是指源極(Source),D是指漏極(Drain),G是柵極(Gate)。晶體管的工作原理其實很簡單,就是用兩個狀態(tài)表示二進制的“0”和“1”。
    源極和漏極之間是溝道(Channel),當(dāng)沒有對柵極(G)施加電壓的時候,溝道中不會聚集有效的電荷,源極(S)和漏極(S)之間不會有有效電流產(chǎn)生,晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)。可以把這種關(guān)閉的狀態(tài)解釋為“0”。
    晶體管結(jié)構(gòu) 工作原理
    圖2 晶體管關(guān)閉狀態(tài)
    當(dāng)對柵極(G)施加電壓的時候,溝道中會聚集有效的電荷,形成一條從源極(S)到漏極(D)導(dǎo)通的通道,晶體管處于開啟狀態(tài),如圖3所示,可以把這種狀態(tài)解釋為“1”。這樣二進制的兩個狀態(tài)就由晶體管的開啟和關(guān)閉狀態(tài)表示出來了。
    晶體管結(jié)構(gòu) 工作原理
    圖3 晶體管開啟狀態(tài)
    3.基本結(jié)構(gòu)
    晶體管的基本結(jié)構(gòu)是由兩個PN結(jié)構(gòu)成,按PN結(jié)的組成方式分為NPN型和PNP型兩種,如圖1所示。無論NPN還是PNP都有三個區(qū):集電區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)。由三個區(qū)引現(xiàn)的電極分別稱為集電極、基極、發(fā)射極。兩個PN結(jié)分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。
    晶體管結(jié)構(gòu) 工作原理
    圖4 雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號
    晶體管的結(jié)構(gòu)特點:發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高;集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū),且面積大;基區(qū)很薄,一般在幾個微米至幾十個微米,且摻雜濃度最低。
    4.優(yōu)越性
    同電子管相比,晶體管具有諸多優(yōu)越性:
    4.1構(gòu)件沒有消耗
    無論多么優(yōu)良的電子管,都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由于技術(shù)上的原因,晶體管制作之初也存在同樣的問題。隨著材料制作上的進步以及多方面的改善,晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍,稱得起永久性器件的美名。
    4.2消耗電能極少
    僅為電子管的十分之一或幾十分之一。它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產(chǎn)生自由電子。一臺晶體管收音機只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽下去,這對電子管收音機來說,是難以做到的。
    4.3不需預(yù)熱
    一開機就工作。例如,晶體管收音機一開就響,晶體管電視機一開就很快出現(xiàn)畫面。電子管設(shè)備就做不到這一點。開機后,非得等一會兒才聽得到聲音,看得到畫面。顯然,在軍事、測量、記錄等方面,晶體管是非常有優(yōu)勢的。
    4.4結(jié)實可靠
    比電子管可靠100倍,耐沖擊、耐振動,這都是電子管所無法比擬的。另外,晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一,放熱很少,可用于設(shè)計小型、復(fù)雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密,但工序簡便,有利于提高元器件的安裝密度。
    晶體管結(jié)構(gòu) 工作原理
    圖5 晶體管外形
    5.選用技巧
    (1)用于開關(guān)線路,則偏向選用電流比較大,飽和壓降小的管,對管的耐壓要求可適當(dāng)放寬。因為耐壓和電流是一對互相矛盾的參數(shù),要兩全其美的話必然增加成本。為了能進入飽和狀態(tài),避免出現(xiàn)關(guān)不斷的情況,除了選好管之外,對線路偏置很重要。通常在IC保持不變情況下增大IB的電流,或IB保持不變情況下減小IC電流。
    (2)用于高壓電路,主要考慮漏電流要小,熱穩(wěn)定性要好,避免擊穿電壓有軟特性、蠕變情況。最好能加保護電路。
    (3)用于普通放大,主要考慮HFE輸出的線性要好,工作區(qū)寬,靜態(tài)工作點最好選擇HFE的測試條件,即HFE分檔的測試條件。
    (4)用于高頻線路,主要考慮是fT參數(shù),而且要跟線路板相匹配,PCB板上的電容、電感都回影響其使用。
    (5)用于功率放大,主要考慮其功率的承受范圍,管裝上后管體發(fā)熱情況怎樣,周圍環(huán)境溫度如何,散熱通風(fēng)是否良好。PCM=TJM-TA/RT
    PC(T)=PCM(TJM-T/TJM-TA)
    6.判別與計算
    6.1判別基極和類型
    選用歐姆檔的R*100(或R*1K)檔,先用紅表筆接一個管腳,黑表筆接另一個管腳,可測出兩個電阻值,然后再用紅表筆接另一個管腳,重復(fù)上述步驟,又測得一組電阻值,這樣測3次,其中有一組兩個阻值都很小的,對應(yīng)測得這組值的紅表筆接的為基極,且管子是PNP型的;反之,若用黑表筆接一個管腳,重復(fù)上述做法,若測得兩個阻值都小,對應(yīng)黑表筆為基極,且管子是NPN型的。
    6.2判別集電極
    因為三極管發(fā)射極和集電極正確連接時β大(表針擺動幅度大),反接時β就小得多。因此,先假設(shè)一個集電極,用歐姆檔連接,(對NPN型管,發(fā)射極接黑表筆,集電極接紅表筆)。測量時,用手捏住基極和假設(shè)的集電極,兩極不能接觸,若指針擺動幅度大,而把兩極對調(diào)后指針擺動小,則說明假設(shè)是正確的,從而確定集電極和發(fā)射極。
    6.3電流放大系數(shù)β的估算
    選用歐姆檔的R*100(或R*1K)檔,對NPN型管,紅表筆接發(fā)射極,黑表筆接集電極,測量時,只要比較用手捏住基極和集電極(兩極不能接觸),和把手放開兩種情況小指針擺動的大小,擺動越大,β值越高。
    以上就是晶體管的概念、工作原理、結(jié)構(gòu)與優(yōu)越性介紹了。由于其響應(yīng)速度快,準確性高,晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能,包括放大,開關(guān),穩(wěn)壓,信號調(diào)制和振蕩器。晶體管可獨立包裝或在一個非常小的的區(qū)域,可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分。
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