晶體管的延生

 

1947年12月23日，在貝爾實驗室科學家肖克萊、巴丁和布拉頓組成的研究小組證明了20世紀最重要的發(fā)明：第一只真正的晶體管，從此人類步入了飛速發(fā)展的電子時代。

 

 

在20世紀最初的10年，半導體材料已經(jīng)開始在通信系統(tǒng)應用。20世紀上半葉，在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音收，就采用礦石這種半導體材料進行檢波。同時，半導體的電學特性也在電話系統(tǒng)中得到了應用。

 

晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到1929年，當時工程師利蓮費爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是，限于當時的技術水平，制造這種器件的材料達不到足夠的純度，而使這種晶體管無法制造出來。

 

基于電子管處理高頻信號的效果不理想，人們就想辦法改進礦石收音機中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器里，有一根與半導體礦石表面相接觸的金屬絲，它既能讓信號電流沿一個方向流動，又能阻止信號電流朝相反方向流動。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前夕，貝爾實驗室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時，發(fā)現(xiàn)摻有某種極微量雜質(zhì)的鍺晶體的性能不僅優(yōu)于礦石晶體，而且在某些方面比電子管整流器還要好。

 

在第二次世界大戰(zhàn)期間，不少實驗室在有關硅和鍺材料的制造和理論研究方面，也取得了不少成績，這就為晶體管的發(fā)明奠定了基礎。

 

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，為了克服電子管的局限性，貝爾實驗室加緊了對固體電子器件的基礎研究。肖克萊等人探討用半導體材料制作放大器件的可能性，決定集中研究鍺、硅等半導體材料。

 

1945年秋天，貝爾實驗室正式成立了以肖克萊為首的半導體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。其中，布拉頓早在1929年就開始在這個實驗室工作，長期從事半導體的研究，積累了豐富的經(jīng)驗。他們經(jīng)過一系列的實驗和觀察，逐步認識到半導體中電流放大效應產(chǎn)生的原因。在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細針并通上電流，然后讓另一根細針盡量靠近它，并通上微弱的電流，這樣就會使原來的電流產(chǎn)生很大的變化。微弱電流少量的變化，會對另外的電流產(chǎn)生很大的影響，這就是“放大”作用。

 

布拉頓等人還想出有效的辦法來實現(xiàn)這種放大效應。他們在基極和發(fā)射極之間輸入一個弱信號，在基極和集電極之間的輸出端，就放大為一個強信號了。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，上述晶體三極管的放大效應得到廣泛的應用。

 

巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數(shù)為50左右。不久之后，他們利用兩個靠得很近(相距0.05毫米)的觸須接點，來代替金箔接點，制造了“點接觸型晶體管”。1947年12月，這個世界上最早的實用半導體器件終于問世了，在首次試驗時，它能把音頻信號放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。

 

在為這種器件命名時，布拉頓想到它的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉(zhuǎn)移電流來工作的，于是取名為trans-resister(轉(zhuǎn)換電阻)，后來縮寫為transistor，中文譯名就是晶體管。

 

點接觸型晶體管有自己的缺點，它存在噪聲大、在功率大時難于控制、適用范圍窄，另外制造工藝復雜，致使許多產(chǎn)品出現(xiàn)故障等缺點。為了克服以上缺點，肖克萊提出了用一種"整流結(jié)"來代替金屬半導體接點的大膽設想。

 

終于在1950年，第一只“面結(jié)型晶體管”問世了。它的性能與原來設想的完全一致。1956年，因發(fā)明晶體管，肖克萊、巴丁、布拉頓三人同時榮獲諾貝爾物理學獎。今天的晶體管，大部分仍是這種面結(jié)型晶體管。

 

1954 年，隨著第一臺晶體管無線電的售出，晶體管成為大眾文化的一部分，這是為晶體管發(fā)明者們所稱道的一個發(fā)展。

 

直到 20 世紀50年代后期，晶體管成為了電子電話轉(zhuǎn)接系統(tǒng)的一個不可分割的組成部分，也成為便攜式收音機、計算機和雷達等其它重要產(chǎn)品和服務的關鍵組件。

 

隨著半導體技術的不斷發(fā)展，晶體管的運行速度更快，可靠性更高，成本也更低。1959 年，隨著能夠?qū)⒋罅康木w管及其它電子器件集成到一塊硅片上的集成電路的發(fā)明，晶體管取得了新的突破。

 

這些微芯片不僅使得晶體管的創(chuàng)新達到了新的高度，而且還推動了信息時代的發(fā)展。

 

自晶體管發(fā)明以來，其尺寸不斷縮小，到現(xiàn)在，60億（相當于目前全球人口數(shù)量）枚晶體管所占面積不過僅為一張信用卡的大小而已。

 

 

晶體管的結(jié)構(gòu)特性

 

晶體管的結(jié)構(gòu)

 

晶體管內(nèi)部由兩PN結(jié)構(gòu)成，其三個電極分別為集電極（用字母C或c表示），基極（用字母B或b表示）和發(fā)射極（用字母E或e表示）。如圖5-4所示，晶體管的兩個PN結(jié)分別稱為集電結(jié)（C、B極之間）和發(fā)射結(jié)（B、E極之間），發(fā)射結(jié)與集電結(jié)之間為基區(qū)。

 

 

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，晶體管可分為PNP型和NPN型兩類。在電路圖形符號上可以看出兩種類型晶體管的發(fā)射極箭頭（代表集電極電流的方向）不同。PNP型晶體管的發(fā)射極箭頭朝內(nèi)，NPN型晶體管的發(fā)射極箭頭朝外。

 

三極管各個電極的作用及電流分配

 

晶體管三個電極的電極的作用如下：發(fā)射極（E極）用來發(fā)射電子；基極（B極）用來控制E極發(fā)射電子的數(shù)量；集電極（C極）用業(yè)收集電子。

 

晶體管的發(fā)射極電流IE與基極電流IB、集電極電流IC之間的關系如下：IE=IB+IC

 

晶體管的工作條件

 

晶體管屬于電流控制型半導體器件，其放大特性主要是指電流放大能力。所謂放大，是指當晶體管的基極電流發(fā)生變化時，其集電極電流將發(fā)生更大的變化或在晶體管具備了工作條件后，若從基極加入一個較小的信號，則其集電極將會輸出一個較大的信號。

 

晶體管的基本工作條件是發(fā)射結(jié)（B、E極之間）要加上較低的正向電壓（即正向偏置電壓），集電結(jié)（B、C極之間）要加上較高的反向電壓（即反向偏置電壓）。

 

晶體管發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓約等于PN結(jié)電壓，即硅管為0.6~0.7V，鍺管為0.2~0.3V。集電結(jié)的反向偏置電壓視具體型號而定。

 

晶體管的工作狀態(tài)

 

晶體管有截止、導通和飽和三種狀態(tài)。在晶體管不具備工作條件時，它處截止狀態(tài)，內(nèi)阻很大，各極電流幾乎為0。

 

當晶體管的發(fā)射結(jié)加下合適的正向偏置電壓、集電結(jié)加上反向偏置電壓時，晶體管導通，其內(nèi)阻變小，各電極均有工作電流產(chǎn)生（IE=IB+IC）。適當增大其發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓、使基極電流IB增大時，集電極電流IC和發(fā)射極電流IE也會隨之增大。

 

當晶體管發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓增大至一定值（硅管等于或略高于0.7V，鍺管等于或略高于0.3V0時，晶體管將從導通放大狀態(tài)進入飽和狀態(tài)，此時集電極電流IC將處于較大的恒定狀態(tài)，且已不受基極電流IB控制。晶體管的導通內(nèi)阻很小（相當于開關被接通），集電極與發(fā)射極之間的電壓低于發(fā)射結(jié)電壓，集電結(jié)也由反偏狀態(tài)變?yōu)檎珷顟B(tài)。

 

晶體管的主要分類及型號

 

高頻晶體管

 

高頻晶體管（指特征頻率大于30MHZ的晶體管）可分為高頻小功率晶體管和高頻大功率晶體管。

 

常用的國產(chǎn)高頻小功率晶體管有3AG1~3AG4、3AG11~3AG14、3CG3、3CG14、3CG21、3CG9012、3CG9015、3DG6、3DG8、3DG12、3DG130、3DG9011、3DG9013、3DG9014、3DG9043等型號。

 

常用的進口高頻小功率晶體管有2N5551、2N5401、BC148、BC158、BC328、BC548、BC558、9011~9015、S9011~S9015、TEC9011~TEC9015、2SA1015、2SC1815、2SA562、2SC1959、2SA673、2SC1213等型號。

 

高頻中、大功率晶體管一般用于視頻放大電路、前置放大電路、互補驅(qū)動電路、高壓開關電路及行推動等電路。

 

常用的國產(chǎn)高頻中、大功率晶體管有3DG41A~3DG41G、3DG83A~3DG83E、3DA87A~3DA87E、3DA88A~3DA88E、3DA93A~3DA93D、3DA151A~3DG151D、3DA1~3DA5、3DA100~3DA108、3DA14A~3DA14D、3DA30A~3DA30D、3DG152A~3DG152J、3CA1~3CA9等型號。

 

常用的進口高頻中、大功率晶體管有2SA634、2SA636、2SA648A、2SA670、2SB940、2SB734、2SC2068、2SC2258、2SC2371、2SD1266A、2SD966、2SD8829、S8050、S8550、BD135、BD136等型號，各管的主要參數(shù)見表5-4。

 

超高頻晶體管

 

超高頻晶體管也稱微波晶體管，其頻率特性一般高于500MHZ，主要用于電視、雷達、導航、通信等領域中處理微波波段（300MHZ以上的頻率）的信號。

 

常用的國產(chǎn)超高頻晶體管有3AG95、3CG15A~3CG15D、3DG56（2G210）、3DG80（2G211、2G910）、3DG18A~3DG18C、2G711A~2G711E、3DG103、3DG112、3DG145~3DG156、3DG122、3DG123、3DG130~3DG132、3DG140~3DG148、3CG102、3CG113、3CG114、3CG122、3CG132、3CG140、3DA89、3DA819~3DA823等型號。

 

常用的進口超高頻晶體管有2SA130、2SA1855、2SA1886、2SC286~2SC288、2SC464~2SC466、2SD1266、BF769、BF959等型號。

 

中、低頻晶體管

 

低頻晶體管的特征頻率一般低于或等于3MHZ，中頻晶體管的特征頻率一般低于30MHZ。

 

中、低頻小功率晶體管

 

中低頻小功率晶體管主要用于工作頻率較低、功率在1W以下的低頻放大和功率放大等電路中。

 

常見的國產(chǎn)低頻小功率晶體管有3AX1~3AX15、3AX21~3AX25、3AX31、3BX31、3AX81、3AX83、3AX51~3AX55、3DX200~3DX204、3CX200~3CX204等型號，表5-7是各管的主要參數(shù)。

 

常用的進口中、低頻小功率晶體管有2SA940、2SC2073、2SC1815、2SB134、2SB135、2N2944~2N2946等型號。

 

中、低頻大功率晶體管

 

中、低頻大功率晶體管一般用在電視機、音響等家電中作為電源調(diào)整管、開關管、場輸出管、行輸出管、功率輸出管或用在汽車電子點火電路、逆變器、不間斷電源（UPS）等系統(tǒng)中。

 

常用的國產(chǎn)低頻大功率晶體管有3DD102、3DD14、3DD15、3DD52、DD01、DD03、D74、3AD6、3AD30、3DA58、DF104等型號，表5-9是各管的主要參數(shù)。

 

常用的進口中、低頻大功率晶體管有2SA670、2SB337、2SB556K、2SD553Y、2SD1585、2SC1827、2SC2168、BD201~BD204等型號，表5-10是各管的主要參數(shù)。

 

互補對管

 

為了提高功率放大品的輸出功率和效率，減小失真，功率放大器通常采用推挽式功率放大電路，即由兩只互補晶體管分別放大一個完整正弦波的正、負半周信號。這要求兩只互補晶體管的材料相， ，性能參數(shù)（例如耗散功率PCM、最大集電極電流ICM、最高反向電壓VCBO、電流放大系數(shù)hFE、特征頻率fT等）也要盡可能一致使用前應進行挑選“配對”。

 

互補對管一般采用異極性對管，即兩只晶體管一只為NPN型管，另一只為PNP型管。

 

開關晶體管

 

開關晶體管是一種飽和與截止狀態(tài)變換速度較快的晶體管，廣泛應用于各種脈沖電路、開關電路及功率輸出電路中。

 

開關晶體管分為小功率開關晶體管和高反壓大功率開關晶體管等

 

小功率開關晶體管一般用于高頻放大電路、脈沖電路、開關電路及同步分離電路等。常用的國產(chǎn)小功率開關晶體管有3AK系列3CK系列和3DK系列。

 

高反壓大功率開關晶體管 高反壓大功率開關晶體管通常均為硅NPN型，其最高反向電壓VCBO高于800V，主要用于彩色電視機、電腦顯示器中作開關電源管、行輸出管或用于汽車電子點火器、電子鎮(zhèn)流器、逆變器、不間斷電源（UPS）等產(chǎn)品中。常用的高反壓大功率開關晶體管有2SD820、2SD850、2SD1401、2SD1403、2SD1432~2SD1433、2SC1942等型號。

 

帶阻尼行輸出管

 

帶阻尼行輸出管是將高反壓大功率開關晶體管與阻尼二極管、保護電阻封裝為一體構(gòu)成的特殊電子器件，主要用于彩色電視機或電腦顯示器中。

 

帶阻尼行輸出管有金屬封裝（TO-3）和塑封（TO-3P）兩種封裝形式。

 

差分對管

 

差分對管也稱孿生對管或一體化差分對管，它是將兩只性能參數(shù)相同的晶體管封裝在一起構(gòu)成的電子器件，一般用在音頻放大器或儀器、儀表中作差分輸入放大管。

 

差分對管有NPN型和PNP型兩種結(jié)構(gòu)。常見的國產(chǎn)NPN型差分對管有3DG06A~3DG06D等型號。PNP型差分對管有3CSG3、ECM1A等型號。

 

常見的進口NPN型差分對管有2SC1583等型號，PNP型差分對管有2SA798等型號。

 

達林頓管

 

達林頓管也稱復合晶體管，具有較大的電流放大系數(shù)及較高的輸入阻抗。它又分為普通達林頓管和大功率達林頓管。

 

普通達林頓管通常由兩只晶體管或多只晶體管復合連接而成，內(nèi)部不帶保護電路，耗散功率在2W以下。

 

普通達林頓管一般采用TO-92塑料封裝，主要用于高增益放大電路或繼電器驅(qū)動電路等。常用的普通達林頓管有PN020、MP-SA6266等型號。

 

大功率達林頓管在普通達林頓管的基礎上，增加了由泄放電阻和續(xù)流二極管組成的保護電路，穩(wěn)定性較高，驅(qū)動電流更大。

 

大功率達林頓管一般采用TO-3金屬封裝或采用TO-126、TO-220、TO-3P等外形塑料封裝，主要用于音頻功率放大、電源穩(wěn)壓、大電流驅(qū)動、開關控制等電路。

 

帶阻晶體管

 

帶阻晶體管是將一只或兩只電阻器與晶體管連接后封裝在一起構(gòu)成的，作反相器或倒相器，廣泛應用于電視機、影碟機、錄像機等家電產(chǎn)品中。其封裝外形有EM3、UMT、SST（美國或歐洲SOT-23）、SMT（SC-59/日本SOT-23）、MPT（SOT-89）、FTR和TO-92等，耗散功率為150~400mW。

 

帶阻晶體管的電路圖形符號及文字符號 帶阻晶體管目前尚無統(tǒng)一標準符號，在不同廠家的電子產(chǎn)品中電路圖形符號及文字符號的標注方法也不一樣。例如，日立、松下等公司的產(chǎn)品中常用字母“QR”來表示，東芝公司用字母“RN”來表示，飛利浦及NEC（日電）等公司用字母“Q”表示，還有的廠家用“IC”表示，國內(nèi)電子產(chǎn)品中可以使用晶體管的文字符號，即用字母“V”或“VT”來表示。圖5-12是不同廠家電子產(chǎn)品中帶阻晶體管常用的電路圖形符號。

 

常用的進口帶阻三極管有DTA系列、DTB系列、DTC系列、DTD系列、MRN系列、RN系列、UN系列、KSR系列、FA系列、FN系列、GN系列、GA系列、HC系列、HD系列、HQ系列、HR系列等多種。常用的國產(chǎn)帶阻晶體管有GR系列等。

 

光敏三極管

 

光敏三極管是具有放大能力的光-電轉(zhuǎn)換三極管，廣泛應用于各種光控電路中。

 

在無光照射時，光敏三極管處于截止狀態(tài)，無電信號輸出。光當信號照射其基極（受光窗口）時，光敏三極管將導通，從發(fā)射極或集電極輸出放大后的電信號。

 

光敏三極管在電路中的文字符號與普通三極管相同，用字母“V”或“VT”表示。

 

光敏三極管有塑封、金屬封裝（頂部為玻璃鏡窗口）環(huán)氧樹脂、陶瓷等多種封裝結(jié)構(gòu)，引腳也分為兩腳和三腳型。

 

常用的國產(chǎn)光敏三極管以硅NPN型為主有3DU11~3DU13、3DU21~3DU23、3DU31~3DU33、3DU51A~3DU51C、3DU51~3DU54、3DU111~3DU113、3DU121~3DU123~3DU131~3DU133、3DU311~3DU333、3DU411~3DU433、3DU80等型號。

 

磁敏三極管

 

磁敏三極管是一種對磁場敏感的磁-電轉(zhuǎn)換器件，它可以將磁信號轉(zhuǎn)換成電信號。

 

常見的磁敏三極管有3CCM和4CCM等型號。3CCM采用雙極型結(jié)構(gòu)，具有正、反向磁靈敏度極性，有確定的磁敏感面（通常用色點標注）。

 

磁敏三極管一般用于電動機轉(zhuǎn)速控制、防盜等各種磁控電路中。

 

恒流三極管

 

恒流三極管是一種可以調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電流的特殊器件。它的三個電極分別是陽極（正極）A陰極（負極）C和控制極G。通過改變恒流三極管控制極的電壓，即可調(diào)節(jié)恒流值的大小。

 

恒流三極管一般用于限流保護和恒流標準電源，也可在直流電源等電路中作恒流器件。常用的恒流三極管有3DH010~3DH050等型號，其恒流范圍為5~500Ma，工作電壓為5~80V。

 

本文轉(zhuǎn)載自傳感器技術，作者：毛富利

 

 

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