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生很大的變化。微弱電流少量的變化，會對另外的電流產生很大的影響，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”的轉移電流來工作的，于是取名為trans-resister(轉換電阻)，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"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，隨著能夠將大量的晶體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。

 

 

晶體管的結構特性

 

晶體管的結構

 

晶體管內部由兩PN結構成，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結分別稱為集電結（C、B極之間）和發(fā)射結（B、E極之間），發(fā)射結與集電結之間為基區(qū)。

 

 

根據(jù)結構不同，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，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（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（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)射結的正向偏置電壓約等于PN結電壓，即硅管為0.6~0.7V，鍺管為0.2~0.3V。集電結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)，內阻很大，各極電流幾乎為0。

 

當晶體管的發(fā)射結加下合適的正向偏置電壓、集電結加上反向偏置電壓時，晶體管導通，其內阻變小，各電極均有工作電流產生（IE=IB+IC）。適當增大其發(fā)射結的正向偏置電壓、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。晶體管的導通內阻很?。ㄏ喈斢陂_關被接通），集電極與發(fā)射極之間的電壓低于發(fā)射結電壓，集電結也由反偏狀態(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、互補驅動電路、高壓開關電路及行推動等電路。

 

常用的國產高頻中、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型兩種結構。常見的國產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，國內電子產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、陶瓷等多種封裝結構，引腳也分為兩腳和三腳型。

 

常用的國產光敏三極管以硅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-電轉換器件，它可以將磁信號轉換成電信號。

 

常見的磁敏三極管有3CCM和4CCM等型號。3CCM采用雙極型結構，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。

 

本文轉載自傳感器技術，作者：毛富利

 

 

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