【传感器技术】晶体管的工作原理及种类

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晶体管,一种能够对电流或电压放大和控制的器件,是上个世纪所发明的一种最重要的器件,是引领整个信息时代最重要的一种器件,被称作信息时代的‘神经细胞’,不夸张地说,它是现代文明的基石。

【传感器技术】晶体管的工作原理及种类

计算机历史博物馆的首席执行官John O’Toole说:“没有晶体管这个现代微电子技术的基本构建块,就不会有今天计算机产业的蓬勃发展。”

贝尔实验室名誉总裁 Ian M. Ross 在一篇 IEEE 文章中写道晶体管的发明“使我们的社会发生了伟大变革,这场变革的深远意义不亚于钢铁的发现、蒸汽机的发明以及英国工业革命。”

晶体管的诞生

【传感器技术】晶体管的工作原理及种类

晶体管的发明工作始于新泽西的默里山,在这里科学家们正在寻找电子管的替代品。电子管虽然能够放大音乐和语音,并使长途通话在 20 世纪上半叶成为现实,但问题在于电子管功耗大,产生的热量过多,且极易烧坏。

最早追溯到1929年,当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是,限于当时的技术水平,制造这种器件的材料达不到足够的纯度,而使这种晶体管无法制造出来。

基于电子管处理高频信号的效果不理想,人们就想办法改进矿石收音机中所用的矿石触须式检波器。在这种检波器里,有一根与半导体矿石表面相接触的金属丝,它既能让信号电流沿一个方向流动,又能阻止信号电流朝相反方向流动。

1936年,在号称"工程师的摇篮"的美国麻省理工学院,一位不速客悄悄推开了博士生肖克利的房门。来者自报家门,说明他来自贝尔实验室,名叫凯利。肖克利吃了一惊,他久闻这位著名物理学家的大名。

"小伙子,愿意来贝尔实验室工作吗?"凯利快人快语,毫不掩饰自己来麻省"挖人"的意图。凯利的话使肖克利怦然心动。贝尔实验室在电子学方面开展着世界上规模最大的基础研究,发明专利的注册已达近万项之多。毕业后,肖克利毫不迟疑地打点行装,来到了新泽西。

贝尔实验室里早就有位青年人---布拉顿。布拉顿先后取得过理学硕士和哲学博士学位,从1929年起就加盟贝尔实验室。肖克利专攻理论物理,布拉顿则擅长实验物理,知识结构相得益彰,大有相见恨晚的感觉。工作之余,他们也常聚在一起"侃大山"。凡是涉及到当时电子学中的热门话题无话不谈。直到有一天,肖克利讲到一种"矿石"时,思想碰撞的火花终于引燃了"链式反应"。肖克利说:"有一类晶体矿石被人们称为半导体,比如锗和硅等等,它们的导电性并不太好,但有一些很奇妙的特性,说不定哪天它们会影响到未来电子学的发展方向。"布拉顿心领神会,连连点头。

如果不是第二次世界大战爆发,肖克利和布拉顿或许更早就"挖掘"到了"珍宝",然而,战争毕竟来临了,肖克利和布拉顿先后被派往美国海军部从事军事方面的研究,刚刚开始的半导体课题遗憾地被战火中断。

1945年,战火硝烟刚刚消散,肖克利一路风尘赶回贝尔,并带来了另一位青年科学家巴丁。巴丁是普林斯顿大学的数学物理博士,擅长固体物理学。巴丁的到来,对肖、布的后续研究如虎添翼,他渊博的学识和固体物理学专长,恰好弥补了肖克利和布拉顿知识结构的不足。贝尔实验室迅速批准固体物理学研究项目上马,凯利作为决策者在课题任务书上签署了大名。由肖克利领衔,布拉顿、巴丁等人组成的半导体小组把目光盯住了那些特殊的"矿石"。肖克利首先提出了"场效应"半导体管实验方案,然而首战失利,他们并没有发现预期的那种放大作用。

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他们经过一系列的实验和观察,逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。在锗片的底面接上电极,在另一面插上细针并通上电流,然后让另一根细针尽量靠近它,并通上微弱的电流,这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化,会对另外的电流产生很大的影响,这就是“放大”作用。

布拉顿等人还想出有效的办法来实现这种放大效应。他们在基极和发射极之间输入一个弱信号,在基极和集电极之间的输出端,就放大为一个强信号了。在现代电子产品中,上述晶体三极管的放大效应得到广泛的应用。

巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50左右。不久之后,他们利用两个靠得很近(相距0.05毫米)的触须接点,来代替金箔接点,制造了“点接触型晶体管”。1947年12月,这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了,在首次试验时,它能把音频信号放大100倍,它的外形比火柴棍短,但要粗一些。

1947年的圣诞节即将来临,这天晌午时分,布拉顿和巴丁不约而同地走进实验室。在此之前,由于有巴丁固体表面态理论的指导,他俩几乎接近了成功的边缘。实验表明,只要将两根金属丝的接触点尽可能地靠近,就可能引起半导体放大电流的效果。但是,如何才能在晶体表面形成这种小于0.4毫米的触点呢?布拉顿精湛的实验技艺开始大显神威。他平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕,恰到好处地将顶角一分为二,分别接上导线,随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。

电流表的指示清晰地显示出,他们得到了一个有放大作用的新电子器件!布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来,闻声而至的肖克利也为眼前的奇迹感到格外振奋。布拉顿在笔记本上这样写道:"电压增益100,功率增益40……实验演示日期1947年12月23日下午。"作为见证者,肖克利在这本笔记上郑重地签了名。

在为这种器件命名时,布拉顿想到它的电阻变换特性,即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的,于是取名为trans-resister(转换电阻),后来缩写为transistor,中文译名就是晶体管。

1948年,美国专利局批准了贝尔实验室这种被命名为晶体管的发明专利。然而,专利书上的发明人只列着布拉顿和巴丁。肖克利看后,一笑置之,表现出真正的"大将风度"。

点接触型晶体管有自己的缺点,它存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄,另外制造工艺复杂,致使许多产品出现故障等缺点。为了克服以上缺点,肖克莱提出了用一种"整流结"来代替金属半导体接点的大胆设想。此后,肖克利一举攻克晶体管中的另一座"堡垒":他发明了一种"结型晶体管",离布拉顿和巴丁发明"点接触型晶体管"的时间仅隔一年。人们后来知道,结型晶体管才是现代晶体管的正宗始祖,它不仅预示着半导体技术的发展方向,而且是肖克利坚韧不拔的精神体现,以致有人诙谐地给它起了个绰号叫"坚持管"。

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1950年,第一只“面结型晶体管”问世。它的性能与原来设想的完全一致。

1954年,贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶体管计算机TRADIC。

集成电路的发明

诺贝尔物理学奖得主杰克·基尔比先生是集成电路的发明者、手持计算器的发明人之一。他的发明奠定了现代微电子技术的基础,可以说如果没有集成电路的发明,就不会有今天的计算机,人类还将在信息时代的门外徘徊。我们生活中所能见到的各种电子,几乎无一例外都是建立在集成电路技术基础上的。

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杰克·基尔比刚被聘用到德州仪器公司时,公司并没有对杰克·基尔比的工作职责进行具体划分。在德州仪器公司工作后不久杰克·基尔比就开始意识到,由于公司制造电阻器、晶体管和电容器,如果对其产品进行重新组装可能会生产出更有效的微型模块产品。因此,杰克·基尔比设计了一个使用管状部件的IF放大器,而且做出了原型。杰克·基尔比利用员工周末和工厂停工的前几天完成了详细的成本分析。

杰克·基尔比对IF放大器的试验效果进行认真思考。通过进行成本分析,杰克·基尔比第一次更清楚的了解到半导体车间的成本结构。数字很高——非常高。杰克·基尔比觉得如果他不能尽快地想出一个好的办法,那么在假期结束后,就有可能会分配他比去做微型模块项目提案的工作。在心情万分沮丧的时候,杰克·基尔比开始感觉到,半导体车间唯一可以以高成本效益方式制造的产品就是半导体。经过进一步思考,他得出这样的结论,真正需要的实际上就是半导体——电阻器和电容器,于是杰克·基尔比很快起草了一个使用这些部件的触发器的设计提案。具体说来,可以用与有源设备相同的材料来制造。用硅的体效应来提供电阻器,而电容器则通过p-n结来提供。

杰克·基尔比很快就完成了这些草图,并用非连续硅元素制造了一条电路,其中使用了打包的成熟结晶体管。电阻器是通过在硅上凿出小条并蚀刻上值后做出来的。电容器是在散布式硅功率电容器晶片上凿出来并用金属处理两侧。整个电路组装完成,并于1958年8月28日向公司进行了演示。

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我们可以说微芯片是历史上最重大的发明之一,它为无数的其它发明铺平了道路。在过去的40年里,杰克·基尔比已经看到他的发明改变了世界。杰克·基尔比是为数不多的几个人之一,他可以环顾世界并对自己说:“我改变了世界”。

晶体管的结构特性

晶体管的结构

晶体管内部由两PN结构成,其三个电极分别为集电极(用字母C或c表示),基极(用字母B或b表示)和发射极(用字母E或e表示)。如图5-4所示,晶体管的两个PN结分别称为集电结(C、B极之间)和发射结(B、E极之间),发射结与集电结之间为基区。

根据结构不同,晶体管可分为PNP型和NPN型两类。在电路图形符号上可以看出两种类型晶体管的发射极箭头(代表集电极电流的方向)不同。PNP型晶体管的发射极箭头朝内,NPN型晶体管的发射极箭头朝外。

三极管各个电极的作用及电流分配

晶体管三个电极的电极的作用如下:

1、发射极(E极)用来发射电子;

2、基极(B极)用来控制E极发射电子的数量;

3、集电极(C极)用业收集电子。

4、晶体管的发射极电流IE与基极电流IB、集电极电流IC之间的关系如下:IE=IB+IC

晶体管的工作条件

晶体管属于电流控制型半导体器件,其放大特性主要是指电流放大能力。所谓放大,是指当晶体管的基极电流发生变化时,其集电极电流将发生更大的变化或在晶体管具备了工作条件后,若从基极加入一个较小的信号,则其集电极将会输出一个较大的信号。

晶体管的基本工作条件是发射结(B、E极之间)要加上较低的正向电压(即正向偏置电压),集电结(B、C极之间)要加上较高的反向电压(即反向偏置电压)。

晶体管发射结的正向偏置电压约等于PN结电压,即硅管为0.6~0.7V,锗管为0.2~0.3V。集电结的反向偏置电压视具体型号而定。

晶体管的工作状态

晶体管有截止、导通和饱和三种状态。

1、在晶体管不具备工作条件时,它处截止状态,内阻很大,各极电流几乎为0。

2、当晶体管的发射结加下合适的正向偏置电压、集电结加上反向偏置电压时,晶体管导通,其内阻变小,各电极均有工作电流产生(IE=IB+IC)。适当增大其发射结的正向偏置电压、使基极电流IB增大时,集电极电流IC和发射极电流IE也会随之增大。

3、当晶体管发射结的正向偏置电压增大至一定值(硅管等于或略高于0.7V,锗管等于或略高于0.3V0时,晶体管将从导通放大状态进入饱和状态,此时集电极电流IC将处于较大的恒定状态,且已不受基极电流IB控制。晶体管的导通内阻很小(相当于开关被接通),集电极与发射极之间的电压低于发射结电压,集电结也由反偏状态变为正偏状态。

高频晶体管

高频晶体管(指特征频率大于30MHZ的晶体管)可分为高频小功率晶体管和高频大功率晶体管。

常用的国产高频小功率晶体管有3AG1~3AG4、3AG11~3AG14、3CG3、3CG14、3CG21、3CG9012、3CG9015、3DG6、3DG8、3DG12、3DG130、3DG9011、3DG9013、3DG9014、3DG9043等型号。

常用的进口高频小功率晶体管有2N5551、2N5401、BC148、BC158、BC328、BC548、BC558、9011~9015、S9011~S9015、TEC9011~TEC9015、2SA1015、2SC1815、2SA562、2SC1959、2SA673、2SC1213等型号。

高频中、大功率晶体管一般用于视频放大电路、前置放大电路、互补驱动电路、高压开关电路及行推动等电路。

常用的国产高频中、大功率晶体管有3DG41A~3DG41G、3DG83A~3DG83E、3DA87A~3DA87E、3DA88A~3DA88E、3DA93A~3DA93D、3DA151A~3DG151D、3DA1~3DA5、3DA100~3DA108、3DA14A~3DA14D、3DA30A~3DA30D、3DG152A~3DG152J、3CA1~3CA9等型号。

常用的进口高频中、大功率晶体管有2SA634、2SA636、2SA648A、2SA670、2SB940、2SB734、2SC2068、2SC2258、2SC2371、2SD1266A、2SD966、2SD8829、S8050、S8550、BD135、BD136等型号。

超高频晶体管

超高频晶体管也称微波晶体管,其频率特性一般高于500MHZ,主要用于电视、雷达、导航、通信等领域中处理微波波段(300MHZ以上的频率)的信号。

常用的国产超高频晶体管有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等型号。

进口超高频晶体管 常用的进口超高频晶体管有2SA130、2SA1855、2SA1886、2SC286~2SC288、2SC464~2SC466、2SD1266、BF769、BF959等型号。

中、低频晶体管

低频晶体管的特征频率一般低于或等于3MHZ,中频晶体管的特征频率一般低于30MHZ。

中、低频小功率晶体管:中低频小功率晶体管主要用于工作频率较低、功率在1W以下的低频放大和功率放大等电路中。

常见的国产低频小功率晶体管有3AX1~3AX15、3AX21~3AX25、3AX31、3BX31、3AX81、3AX83、3AX51~3AX55、3DX200~3DX204、3CX200~3CX204等型号,表5-7是各管的主要参数。

常用的进口中、低频小功率晶体管有2SA940、2SC2073、2SC1815、2SB134、2SB135、2N2944~2N2946等型号。

中、低频大功率晶体管:中、低频大功率晶体管一般用在电视机、音响等家电中作为电源调整管、开关管、场输出管、行输出管、功率输出管或用在汽车电子点火电路、逆变器、不间断电源(UPS)等系统中。

常用的国产低频大功率晶体管有3DD102、3DD14、3DD15、3DD52、DD01、DD03、D74、3AD6、3AD30、3DA58、DF104等型号。

常用的进口中、低频大功率晶体管有2SA670、2SB337、2SB556K、2SD553Y、2SD1585、2SC1827、2SC2168、BD201~BD204等型号。

互补对管

为了提高功率放大品的输出功率和效率,减小失真,功率放大器通常采用推挽式功率放大电路,即由两只互补晶体管分别放大一个完整正弦波的正、负半周信号。这要求两只互补晶体管的材料相, ,性能参数(例如耗散功率PCM、最大集电极电流ICM、最高反向电压VCBO、电流放大系数hFE、特征频率fT等)也要尽可能一致使用前应进行挑选“配对”。

互补对管一般采用异极性对管,即两只晶体管一只为NPN型管,另一只为PNP型管。

开关晶体管

开关晶体管是一种饱和与截止状态变换速度较快的晶体管,广泛应用于各种脉冲电路、开关电路及功率输出电路中。

开关晶体管分为小功率开关晶体管和高反压大功率开关晶体管等。

1、小功率开关晶体管:小功率开关晶体管一般用于高频放大电路、脉冲电路、开关电路及同步分离电路等。常用的国产小功率开关晶体管有3AK系列3CK系列和3DK系列。

2、高反压大功率开关晶体管:高反压大功率开关晶体管通常均为硅NPN型,其最高反向电压VCBO高于800V,主要用于彩色电视机、电脑显示器中作开关电源管、行输出管或用于汽车电子点火器、电子镇流器、逆变器、不间断电源(UPS)等产品中。

常用的高反压大功率开关晶体管有2SD820、2SD850、2SD1401、2SD1403、2SD1432~2SD1433、2SC1942等型号。

带阻尼行输出管

带阻尼行输出管是将高反压大功率开关晶体管与阻尼二极管、保护电阻封装为一体构成的特殊电子器件,主要用于彩色电视机或电脑显示器中。带阻尼行输出管有金属封装(TO-3)和塑封(TO-3P)两种封装形式。

差分对管

差分对管也称孪生对管或一体化差分对管,它是将两只性能参数相同的晶体管封装在一起构成的电子器件,一般用在音频放大器或仪器、仪表中作差分输入放大管。

差分对管有NPN型和PNP型两种结构。常见的国产NPN型差分对管有3DG06A~3DG06D等型号。PNP型差分对管有3CSG3、ECM1A等型号。

常见的进口NPN型差分对管有2SC1583等型号,PNP型差分对管有2SA798等型号。

达林顿管

达林顿管也称复合晶体管,具有较大的电流放大系数及较高的输入阻抗。它又分为普通达林顿管和大功率达林顿管。

1.普通达林顿管:普通达林顿管通常由两只晶体管或多只晶体管复合连接而成,内部不带保护电路,耗散功率在2W以下。

普通达林顿管一般采用TO-92塑料封装,主要用于高增益放大电路或继电器驱动电路等。常用的普通达林顿管有PN020、MP-SA6266等型号。

2.大功率达林顿管:大功率达林顿管在普通达林顿管的基础上,增加了由泄放电阻和续流二极管组成的保护电路,稳定性较高,驱动电流更大。

大功率达林顿管一般采用TO-3金属封装或采用TO-126、TO-220、TO-3P等外形塑料封装,主要用于音频功率放大、电源稳压、大电流驱动、开关控制等电路。

带阻晶体管

带阻晶体管是将一只或两只电阻器与晶体管连接后封装在一起构成的,作反相器或倒相器,广泛应用于电视机、影碟机、录像机等家电产品中。其封装外形有EM3、UMT、SST(美国或欧洲SOT-23)、SMT(SC-59/日本SOT-23)、MPT(SOT-89)、FTR和TO-92等,耗散功率为150~400mW。

1.带阻晶体管的电路图形符号及文字符号:带阻晶体管目前尚无统一标准符号,在不同厂家的电子产品中电路图形符号及文字符号的标注方法也不一样。例如,日立、松下等公司的产品中常用字母“QR”来表示,东芝公司用字母“RN”来表示,飞利浦及NEC(日电)等公司用字母“Q”表示,还有的厂家用“IC”表示,国内电子产品中可以使用晶体管的文字符号,即用字母“V”或“VT”来表示。

2.常用的带阻晶体管:常用的进口带阻三极管有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系列等多种。常用的国产带阻晶体管有GR系列等。

光敏三极管

光敏三极管是具有放大能力的光-电转换三极管,广泛应用于各种光控电路中。

在无光照射时,光敏三极管处于截止状态,无电信号输出。光当信号照射其基极(受光窗口)时,光敏三极管将导通,从发射极或集电极输出放大后的电信号。

1.光敏三极管的外形及符号:光敏三极管在电路中的文字符号与普通三极管相同,用字母“V”或“VT”表示。

光敏三极管有塑封、金属封装(顶部为玻璃镜窗口)环氧树脂、陶瓷等多种封装结构,引脚也分为两脚和三脚型。

2.常用的光敏三极管:常用的国产光敏三极管以硅NPN型为主有3DU11~3DU13、3DU21~3DU23、3DU31~3DU33、3DU51A~3DU51C、3DU51~3DU54、3DU111~3DU113、3DU121~3DU123~3DU131~3DU133、3DU311~3DU333、3DU411~3DU433、3DU80等型号。

磁敏三极管

磁敏三极管是一种对磁场敏感的磁-电转换器件,它可以将磁信号转换成电信号。

常见的磁敏三极管有3CCM和4CCM等型号。3CCM采用双极型结构,具有正、反向磁灵敏度极性,有确定的磁敏感面(通常用色点标注)。磁敏三极管一般用于电动机转速控制、防盗等各种磁控电路中。

恒流三极管

恒流三极管是一种可以调节和稳定电流的特殊器件。它的三个电极分别是阳极(正极)A阴极(负极)C和控制极G。

恒流三极管一般用于限流保护和恒流标准电源,也可在直流电源等电路中作恒流器件。常用的恒流三极管有3DH010~3DH050等型号,其恒流范围为5~500Ma,工作电压为5~80V。

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