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晶體管,(transistor),是一種固體半導體器件,可以用於檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調製和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關,基於輸入的電壓,控制流出的電流,因此晶體管可做為電流的開關,和一般機械開關(如Relay、switch)不同處在於晶體管是利用電訊號來控制,而且開關速度可以非常之快,在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

1 晶體管 -簡介

晶體管NPN型晶體管示意圖

晶體管主要分為兩大類:雙極性晶體管(BJT)和場效應晶體管(FET)。

晶體管有三個極;雙極性晶體管的三個極,分別由N型跟P型組成發射極(Emitter)、基極 (Base) 和集電極(Collector); 場效應晶體管的三個極,分別是源極(Source)、柵極(Gate)和漏極(Drain)。

晶體管因為有三種極性,所以也有三種的使用方式,分別是發射極接地(又稱共射放大、CE組態)、基極接地(又稱共基放大、CB組態)和集電極接地(又稱共集放大、CC組態、發射極隨隅器)。

在雙極性晶體管中,發射極到基極的很小的電流,會使得發射極到集電極之間,產生大電流;在場效應晶體管中,在柵極施加小電壓,來控制源極和漏極之間的電流。

在模擬電路中,晶體管用於放大器、音頻放大器、射頻放大器、穩壓電路;在計算機電源中,主要用於開關電源。

晶體管也應用於數字電路,主要功能是當成電子開關。數字電路包括邏輯門、隨機存取內存 (RAM) 和微處理器。

晶體管在使用上有許多要注意的最大額定值,像是最大電壓、最大電流、最大功率……,在超額的狀態下使用,晶體管內部的結構會被破壞。每種型號的晶體管還有特有的特性,像是直流放大率hfe、NF噪訊比…等,可以藉由晶體管規格表或是Data Sheet得知。

晶體管在電路最常用的用途應該是屬於訊號放大這一方面,其次是阻抗匹配、訊號轉換……等,晶體管在電路中是個很重要的元件,許多精密的組件主要都是由晶體管製成的。

2 晶體管 -基本原理

NPN 順向主動工作區:BE接面順向, Vbe > 0.7V,BC接面逆向 Vbc < 0.5V。順向接面會有擴散電流,空乏區小;而逆向接面會有漂移電流,空乏區大。空乏區內只有遊離的雜質離子;載子進入后不久後會遊離,在補充了遊離載子同時,另一端已經遊離載子則會離開空乏區,以保持空乏區是電中性。Ie電流大部分流過Ic,少部分由Ib流出。

3 晶體管 -構造

晶體管晶體管

晶體管有雙極型和單極型兩種,通常把雙極型晶體管簡稱為晶體管,而單極型晶體管簡稱為場效應管。 

晶體管是半導體器件,它由摻雜類型和濃度不同的三個區(發射區、基區和集電區)形成的兩個 PN 結(發射結和集電結)組成,分別從三個區引出三個電極(發射極e、基極b 和集電極c)。 

晶體管根據摻雜類型不同,可分為 NPN 型和 PNP 型兩種;根據使用的半導體材料不同 ,又可分為硅管和鍺管兩類。 

晶體管內部結構的特點是發射區的摻雜濃度遠遠高於基區摻雜濃度,並且基區很薄,集電結的面積比發射結面積大。這是晶體管具有放大能力的內部條件。

4 晶體管 -優越性

晶體管第一個晶體管

①晶體管的構件是沒有消耗的。無論多麼優良的電子管,都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由於技術上的原因,晶體管製作之初也存在同樣的問題。隨著材料製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。

②晶體管消耗電能極少,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生自由電子。一台晶體管收音機只要幾節乾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。

③晶體管不需預熱,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畫面。電子管設備就做不到這一點。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,晶體管是非常有優勢的。

④晶體管結實可靠,比電子管可靠 100倍,耐衝擊、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,可用於設計小型、複雜、可靠的電路。晶體管的製造工藝雖然精密,但工序簡便,有利於提高元器件的安裝密度。

5 晶體管 -類型

晶體管種類很多,依工作原理可粗分為雙極性接面晶體管(bipolar junctiontransistor,BJT) 和場效晶體管(field effect transistor, FET)。

分類  P型半導體;N型半導體;無雜質半導體;含雜質半導體
種類 氮化物半導體;氧化物半導體;非晶半導體;電界型半導體; 磁性半導體
半導體器件 集成電路(IC); 微處理器;內存;晶體管-晶體管邏輯電路
固體物理學能帶結構;能帶計算;第一原理計算; 導帶;價帶;禁帶; 費米能;不純物准位 ;電子; 空穴;施體;受體;物性物理學
晶體管雙極性晶體管(PNP、NPN);場效應管;MOSFET;閘流體; 薄膜晶體管(TFT); CMOS
關連二極體;太陽能電池;發光二極體(LED)
其他PN結;耗盡層;歐姆接觸 ;肖特基接觸; MOS接合;電子學;電路;半導體器件製造;金屬;絕緣體 

6 晶體管 -主要參數

晶體管晶體管

晶體管的主要參數有電流放大係數、耗散功率、頻率特性、集電極最大電流、最大反向電壓、反向電流等。

直流電流放大係數

直流電流放大係數也稱靜態電流放大係數或直流放大倍數,是指在靜態無變化信號輸入時,晶體管集電極電流IC與基極電流IB的比值,一般用hFE或β表示。

交流電流放大係數

交流電流放大係數也稱動態電流放大係數或交流放大倍數,是指在交流狀態下,晶體管集電極電流變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值,一般用hfe或β表示。   

hFE或β既有區別又關係密切,兩個參數值在低頻時較接近,在高頻時有一些差異。

耗散功率

耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM,是指晶體管參數變化不超過規定允許值時的最大集電極耗散功率。   

耗散功率與晶體管的最高允許結溫和集電極最大電流有密切關係。晶體管在使用時,其實際功耗不允許超過PCM值,否則會造成晶體管因過載而損壞。   

通常將耗散功率PCM小於1W的晶體管稱為小功率晶體管,PCM等於或大於1W、小於5W的晶體管被稱為中功率晶體管,將PCM等於或大於5W的晶體管稱為大功率晶體管。

特徵頻率fT

晶體管的工作頻率超過截止頻率fβ或fα時,其電流放大係數β值將隨著頻率的升高而下降。特徵頻率是指β值降為1時晶體管的工作頻率。   

通常將特徵頻率fT小於或等於3MHZ的晶體管稱為低頻管,將fT大於或等於30MHZ的晶體管稱為高頻管,將fT大於3MHZ、小於30MHZ的晶體管稱為中頻管。

最高振蕩頻率fM

最高振蕩頻率是指晶體管的功率增益降為1時所對應的頻率。   

通常,高頻晶體管的最高振蕩頻率低於共基極截止頻率fα,而特徵頻率fT則高於共基極截止頻率fα、低於共集電極截止頻率fβ。

集電極最大電流ICM

集電極最大電流是指晶體管集電極所允許通過的最大電流。當晶體管的集電極電流IC超過ICM時,晶體管的β值等參數將發生明顯變化,影響其正常工作,甚至還會損壞。

最大反向電壓

最大反向電壓是指晶體管在工作時所允許施加的最高工作電壓。它包括集電極—發射極反向擊穿電壓、集電極—基極反向擊穿電壓和發射極—基極反向擊穿電壓。

集電極——集電極反向擊穿電壓

該電壓是指當晶體管基極開路時,其集電極與發射極之間的最大允許反向電壓,一般用VCEO或BVCEO表示。

基極—— 基極反向擊穿電壓

該電壓是指當晶體管發射極開路時,其集電極與基極之間的最大允許反向電壓,用VCBO或BVCBO表示。

發射極——發射極反向擊穿電壓

該電壓是指當晶體管的集電極開路時,其發射極與基極與之間的最大允許反向電壓,用VEBO或BVEBO表示。

集電極——基極之間的反向電流ICBO

ICBO也稱集電結反向漏電電流,是指當晶體管的發射極開路時,集電極與基極之間的反向電流。ICBO對溫度較敏感,該值越小,說明晶體管的溫度特性越好。

集電極——發射極之間的反向擊穿電流ICEO

ICEO是指當晶體管的基極開路時,其集電極與發射極之間的反向漏電電流,也稱穿透電流。此電流值越小,說明晶體管的性能越好。。

晶體管開關的作用


控制大功率
現在的功率晶體管能控制數百千瓦的功率,使用功率晶體管作為開關有很多優點,主要是;(1)容易關斷,所需要的輔助元器件少,(2)開關迅速,能在很高的頻率下工作,(3)可得到的器件耐壓範圍從100V到700V,應有盡有。

直接工作在整流380V市電上的晶體管功率開關
晶體管複合(達林頓)和並聯都是有效地增加晶體管開關能力的方法。在這樣的大功率電路中,存在的主要問題是布線。很高的開關速度能在很短的連接線上產生相當高的干擾電壓。
簡單和優化的基極驅動造就的高性能
今日的基極驅動電路不僅驅動功率晶體管,還保護功率晶體管,稱之為「非集中保護」 (和集中保護對照)。集成驅動電路的功能包括:(1)開通和關斷功率開關;(2)監控輔助電源電壓;(3)限制最大和最小脈衝寬度;(4)熱保護;(5)監控開關的飽和壓降。

7 晶體管 -發展里程碑

晶體管晶體管

1947年12月16日:威廉·邵克雷(William Shockley)、約翰·巴頓(John Bardeen)和沃特·布拉頓(Walter Brattain)成功地在貝爾實驗室製造出第一個晶體管。

1950年:威廉·邵克雷開發出雙極晶體管(Bipolar Junction Transistor),這是現在通行的標準的晶體管。

1953年:第一個採用晶體管的商業化設備投入市場,即助聽器。

1954年10月18日:第一台晶體管收音機Regency TR1投入市場,僅包含4隻鍺晶體管。

1961年4月25日:第一個集成電路專利被授予羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)。最初的晶體管對收音機和電話而言已經足夠,但是新的電子設備要求規格更小的晶體管,即集成電路。

1965年:摩爾定律誕生。當時,戈登·摩爾(Gordon Moore)預測,未來一個晶元上的晶體管數量大約每年翻一倍(10年後修正為每兩年),摩爾定律在Electronics Magazine雜誌一篇文章中公布。

1968年7月:羅伯特·諾伊斯和戈登·摩爾從仙童(Fairchild)半導體公司辭職,創立了一個新的企業,即英特爾公司,英文名Intel為「集成電子設備(integrated electronics)」的縮寫。

1969年:英特爾成功開發出第一個PMOS硅柵晶體管技術。這些晶體管繼續使用傳統的二氧化硅柵介質,但是引入了新的多晶硅柵電極。

1971年:英特爾發布了其第一個微處理器4004。4004規格為1/8英寸 x 1/16英寸,包含僅2000多個晶體管,採用英特爾10微米PMOS技術生產。

1978年:英特爾標誌性地把英特爾8088微處理器銷售給IBM新的個人電腦事業部,武裝了IBM新產品IBM PC的中樞大腦。16位8088處理器含有2.9萬個晶體管,運行頻率為5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推動英特爾進入了財富(Forture) 500強企業排名,《財富(Forture)》雜誌將英特爾公司評為「七十大商業奇迹之一(Business Triumphs of the Seventies)」。

1982年:286微處理器(又稱80286)推出,成為英特爾的第一個16位處理器,可運行為英特爾前一代產品所編寫的所有軟體。286處理器使用了13400個晶體管,運行頻率為6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。

1985年:英特爾386™微處理器問世,含有27.5萬個晶體管,是最初4004晶體管數量的100多倍。386是32位晶元,具備多任務處理能力,即它可在同一時間運行多個程序。

1993年:英特爾®奔騰®處理器問世,含有3百萬個晶體管,採用英特爾0.8微米製程技術生產。

1999年2月:英特爾發布了奔騰®III處理器。奔騰III是1x1正方形硅,含有950萬個晶體管,採用英特爾0.25微米製程技術生產。

2002年1月:英特爾奔騰4處理器推出,高性能桌面台式電腦由此可實現每秒鐘22億個周期運算。它採用英特爾0.13微米製程技術生產,含有5500萬個晶體管。

2002年8月13日:英特爾透露了90納米製程技術的若干技術突破,包括高性能、低功耗晶體管,應變硅,高速銅質接頭和新型低-k介質材料。這是業內首次在生產中採用應變硅。

2003年3月12日:針對筆記本的英特爾®迅馳®移動技術平台誕生,包括了英特爾最新的移動處理器「英特爾奔騰M處理器」。該處理器基於全新的移動優化微體系架構,採用英特爾0.13微米製程技術生產,包含7700萬個晶體管。

2005年5月26日:英特爾第一個主流雙核處理器「英特爾奔騰D處理器」誕生,含有2.3億個晶體管,採用英特爾領先的90納米製程技術生產。

2006年7月18日:英特爾®安騰®2雙核處理器發布,採用世界最複雜的產品設計,含有17.2億個晶體管。該處理器採用英特爾90納米製程技術生產。

2006年7月27日:英特爾®酷睿™2雙核處理器誕生。該處理器含有2.9億多個晶體管,採用英特爾65納米製程技術在世界最先進的幾個實驗室生產。

2006年9月26日:英特爾宣布,超過15種45納米製程產品正在開發,面向台式機、筆記本和企業級計算市場,研發代碼Penryn,是從英特爾®酷睿™微體系架構派生而出。

2007年1月8日:為擴大四核PC向主流買家的銷售,英特爾發布了針對桌面電腦的65納米製程英特爾®酷睿™2四核處理器和另外兩款四核伺服器處理器。英特爾®酷睿™2四核處理器含有5.8億多個晶體管。

2007年1月29日:英特爾公布採用突破性的晶體管材料即高-k柵介質和金屬柵極。英特爾將採用這些材料在公司下一代處理器——英特爾®酷睿™2雙核、英特爾®酷睿™2四核處理器以及英特爾®至強®系列多核處理器的數以億計的45納米晶體管或微小開關中用來構建絕緣「牆」和開關「門」,研發代碼Penryn。採用了這些先進的晶體管,已經生產出了英特爾45納米微處理器。

8 晶體管 -檢測和更換

電路中的晶體管主要有晶體二極體、晶體三極體、可控硅和場效應管等等,其中最常用的是三極體和二極體,如何正確地判斷二、三極體的好壞等是學維修關鍵之一。1晶體二極體:首先我們要知道該二極體是硅管還是鍺管的,鍺管的正向壓降一般為0.1伏~0.3伏之間,而硅管一般為0.6伏~0.7伏之間。測量方法為:用兩隻萬用表測量,當一隻萬用表測量其正向電阻的同時用另外一隻萬用表測量它的管壓降。最後可根據其管壓降的數值來判斷是鍺管還是硅管。硅管可用萬用表的R×1K擋來測量,鍺管可用R×100擋來測。一般來說,所測的二極體的正反向電阻兩者相差越懸殊越好。一般如正向電阻為幾百到幾千歐,反向電阻為幾十千歐以上,就可初步斷定這個二極體是好的。同時可判定二極體的正負極,當測得的阻值為幾百歐或幾千歐時,為二極體的正向電阻,這時負表筆所接的為負極,正表筆所接的為正極。另外,如果正反向電阻為無窮大,表示其內部斷線;正反向電阻一樣大,這樣的二極體也有問題;正反向電阻都為零表示已短路。2晶體三極體: 晶體三極體主要起放大作用,那麼如何來判測三極體的放大能力呢?其方法是:將萬用表調到R×100擋或R×1K擋,當測NPN型管時,正表筆接發射極,負表筆接集電極,測出的阻值一般應為幾千歐以上;然後在基極和集電極之間串接一個100千歐的電阻,這時萬用表所測的阻值應明顯的減少,變化越大,說明該三極體的放大能力越強,如果變化很小或根本沒有變化,那就說明該三極體沒有放大能力或放大能力很弱。電極的判斷方法:測量的鍺管用R*100檔,硅管用R*1k檔,先固定紅表筆與任意一支腳接觸,黑表筆分別對其餘兩支腳測量。看能否找到兩個小電阻,若不能再把紅表筆移向其他的腳繼續測量照顧到兩個小電阻為止,若固定紅線找不到兩個小電阻,可固定黑表筆繼續查找。當找到兩個小電阻后,所固定的一支表筆所用的為基極。若固定的表筆為黑筆,則三極體為NPN型,若固定的為紅筆,則該管為PNP。A 判斷ce極電阻法 :用萬用表測量除基極為的兩極的電阻,交換表筆測兩次,如果是鍺管,所測電阻較小的一次為準,若為PNP型,測黑表筆所接的為發射極,紅表筆接的是集電極,若為NPN型,測黑表筆所接的為集電極,紅表筆接的是發射極;如果是硅管,所測電阻較大的一次為準,若為PNP型,測黑表筆所接的為發射極,紅表筆接的是集電極,若為NPN型,測黑表筆所接的為集電極,紅表筆接的是發射極。B PN結正向電阻法:分別測兩PN結的正向電阻,較大的為發射極,較小的為集電極。C 放大係數法:用萬用表的兩支表筆與基極除外的兩支腳接觸,若為PNP,則用手指接觸基極與紅筆所接的那一極看指針擺動的情況,然後交換表筆測一次,以指針擺動幅度大的一次為準,這時,接紅表筆的為集電極;若為NPN,則用手指接觸基極與紅筆所接的那一極看指針擺動的情況,然後交換表筆測一次,以指針擺動幅度大的一次為準,這時,接黑表筆的為集電極。注意:模擬表和數字錶的區別,模擬表的紅表筆接的是電源的負極,而數字錶相反。

9 晶體管 -特殊晶體管的檢測方法

1.普通達林頓管的檢測

普通達林頓管內部由兩隻或多隻晶體管的集電極連接在一起複合而成,其基極b 與發射極e之間包含多個發射結。檢測時可使用萬用表的R×1 kΩ或R×10 kΩ檔來測量。

測量達林頓管各電極之間的正、反向電阻值。正常時,集電極c與基極b之間的正向電阻值(測NPN 管時,黑表筆接基極b;測PNP 管時,黑表筆接集電極c)與普通硅晶體管集電結的正向電阻值相近,為3~10 kΩ,反向電阻值為無窮大。而發射極e與基極b之間的正向電阻值(測NPN 管時,黑表筆接基極b;測PNP 管時,黑表筆接發射極e)是集電極c與基極b之間正向電阻值的2~3 倍,反向電阻值為無窮大。集電極c與發射極e之間的正、反向電阻值均應接近無窮大。若測得達林頓管的c、e極間的正、反向電阻值或b、e極、b、c極之間的正、反向電阻值均接近0,則說明該管已擊穿損壞。若測得達林頓管的b、e極b、c極之間的正、反向電阻值為無窮大,則說明該管已開路損壞。

2.大功率達林頓管的檢測

大功率達林頓在普通達林頓管的基礎上增加了由續流二極體和泄放電阻組成的保護電路,在測量時應注意這些元器件對測量數據的影響。

用萬用表R×1 kΩ 或R×10 kΩ 檔,測量達林頓管集電結(集電極c與基極b之間)的正、反向電阻值。正常時,正向電阻值(NPN 管的基極接黑表筆時)應較小,為1~10 kΩ,反向電阻值應接近無窮大。若測得集電結的正、反向電阻值均很小或均為無窮大,則說明該管已擊穿短路或開路損壞。

用萬用表R×100 Ω 檔,測量達林頓管發射極e與基極b之間的正、反向電阻值,正常值均為幾百歐姆至幾千歐姆(具體數據根據b、e極之間兩隻電阻器的阻值不同而有所差異。例如:BU932R、MJ10025 等型號大功率達林頓管b、e極之間的正、反向電阻值均為600 Ω左右),若測得阻值為0 或為無窮大,則說明被測管已損壞。

用萬用表R×l kΩ或R×10 kΩ檔,測量達林頓管發射極e與集電極c之間的正、反向電阻值。正常時,正向電阻值(測NPN 管時,黑表筆接發射極e,紅表筆接集電極c;測PNP 管時,黑表筆接集電極c,紅表筆接發射極e)應為5~15 kΩ(BU932R 為7 kΩ),反向電阻值應為無窮大,否則是該管的c、e極(或二極體)擊穿或開路損壞。

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