三极管的发展与应用

三极管的发展与应用 摘要 三极管至从出现以来～以简单的构造～广泛的运用～为集成电路的高速发展做出 了卓越的贡献。并为计算机的诞生铺平了道路。真空三极管的发明～不仅成为真 空电子学的开端～也是电子学历史的开端～推动了人类文明的进程。 关键词:三极管～集成电路～计算机技术。 The triode to since has appeared, take the simple structure, the widespread utilization, makes as integrated circuit's high speed development the remarkable contribution～and paved the way for computer's birth. Vacuum triode's invention, not only becomes the vacuum electronics the beginning, but also electronics history beginning, promoted the human culture advancement. Key word: triode, integrated circuit, computer technology 目录: 诸论 第一章～三极管的历史 第二章～三极管的概念及主要分类 第三章～三极管的工作原理 1(工作原理: 2(三极管的特性曲线: a(输入特性 b、输出特性 3.工作特性及参数: 4. 判断基极和三极管的类型 第四章～三极管的应用及发展 1～三极管的应用 2～三极管的发展趋势 结论 正文 诸论: 三极管发明于20世纪初期～它的出现产生了第三次工业革命的契机～至从它广泛运用于社会生活以来～在计算机发明问世以来～短短半个世纪～人类文明迅速又电气时代走向自动化时代～三极管在计算机技术力的广泛运用～才又了集成技术的空前发展～计算机迅速走向社会大众～为人民的生活飞速发展产生了不可磨灭的贡献～而三极管的特性使其仍然具有广泛的发展前景～因此研究三极管的发展与应用不仅有极为重要的学术意义还有广泛的社会意义～本文将从三极管的历史以及其工作原理及应用上详细系统的论证其广阔的前景以及重要的发展意义。 第一页 第一章: 三极管的发明历史 1906年10月25日～美国科学家德〃福雷斯特申请了真空三极管放大器的专利～第二天又向美国电气工程师协会提交了关于三级管放大器的论文。他的专利于1907年1月15日被批准。 福雷斯特的真空三级管建立在前人发明的真空二极管的技术基础之上。1904年～英国伦敦大学的弗莱明发明了真空二极管,Vacuum Diode Tube,。真空二极管只能单向导电～可以对交流电流进行整流～或者对信号进行检波～但是它不能对信号进行放大。没有能够放大信号的器件～电子技术就无法继续发展。 为了提高真空二极管检波灵敏度～福雷斯特在玻璃管内添加了一种栅栏式的金属网～形成电子管的第三个极。他惊讶地看到～这个“栅极”仿佛就像百叶窗～能控制阴极与屏极之间的电子流,只要栅极有微弱电流通过～就可在屏极上获得较大的电流～而且波形与栅极电流完全一致。也就是说～在弗莱明的真空二极管中增加了一个电极～就成了能够起放大作用的新器件～他把这个新器件命名为三极管,Triode,。 图1-1 真空三极管除了可以处于“放大”状态外～还可分别处于“饱和”与“截止”状态。“饱和”即从阴极,或者叫发射极～emitter,到屏极,evelope,的电流完全导通～相当于开关开启,“截止”即从阴极到屏极没有电流流过～相当于开关关闭。两种状态可以通过调整栅极上的电压进行控制。因此真空三极管可以充当开关器件～其速度要比继电器快成千上万倍。 第二章: 三极管概念及主要分类。 概念: 半导体三极管也称双极型晶体管,晶体三极管,简称三极管,是一种电流控制电 流的半导体器件. 作用: 把微弱信号放大成辐值较大的电信号, 也用作无触点开关. 第二页 分类: a.按材质分: 硅管、锗管 b.按结构分: NPN 、 PNP c.按功能分: 开关管、功率管、达林顿管、光敏管等. 第三章: 三极管的工作原理及主要参数 1.工作原理: 晶体三极管,以下简称三极管,按分有两种:锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式～但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管～两者除了电源极性不同外～其工作原理都是相同的～下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。 对于NPN管～它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成～发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极。 当b点电位高于e点电位零点几伏时～发射结处于正偏状态～而C点电位高于b点电位几伏时～集电结处于反偏状态～集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。 在制造三极管时～有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的～同时基区做得很薄～而且～要严格控制杂质含量～这样～一旦接通电源后～由于发射结正确～发射区的多数载流子,电子,极基区的多数载流子,控穴,很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散～但因前者的浓度基大于后者～所以通过发射结的电流基本上是电子流～这股电子流称为发射极电流Ie。 由于基区很薄,加上集电结的反偏～注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic～只剩下很少,1-10%,的电子在基区的空穴进行复合～被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给～从而形成了基极电流Ibo根据电流连续性原理得: Ie=Ib+Ic 第三页 这就是说～在基极补充一个很小的Ib～就可以在集电极上得到一个较大的 Ic～这就是所谓电流放大作用～Ic与Ib是维持一定的比例关系～即: β1=Ic/Ib 式中:β--称为直流放大倍数～ 集电极电流的变化量?Ic与基极电流的变化量?Ib之比为: β= ?Ic/?Ib 式中β--称为交流电流放大倍数～由于低频时β1和β的数值相差不大～所以有时为了方便起见～对两者不作严格区分～β值约为几十至一百多。 三极管是一种电流放大器件～但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用～通过电阻转变为电压放大作用。 图一是NPN管的结构图～它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成～从 图可见发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为 集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极。 当b点电位高于e点电位零点几伏时～发射结处于正偏状态～而C点电位高于b点电 位几伏时～集电结处于反偏状态～集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。 在制造三极管时～有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的～同时基区做得很薄～而且～要严格控制杂质含量～这样～一旦接通电源后～由于发射结正确～发射区的多数载流子,电子,极基区的多数载流子,控穴,很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散～但因前者的浓度基大于后者～所以通过发射结的电流基本上是电子流～这股电子流称为发射极电流Ie。 由于基区很薄,加上集电结的反偏～注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区 而形成集电集电流Ic～只剩下很少,1-10%,的电子在基区的空穴进行复合～被复 合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给～从而形成了基极电流Ibo根据电流连 续性原理得: Ie=Ib+Ic 这就是说～在基极补充一个很小的Ib～就可以在集电极上得到一个较大的Ic～这就是所谓电流放大作用～Ic与Ib是维持一定的比例关系～即: β1=Ic/Ib 式中:β--称为直流放大倍数～ 集电极电流的变化量?Ic与基极电流的变化量?Ib之比为: β= ?Ic/?Ib 式中β--称为交流电流放大倍数～由于低频时β1和β的数值相差不大～所以有时为了方便起见～对两者不作严格区分～β值约为几十至一百多。 三极管是一种电流放大器件～但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用～ 通过电阻转变为电压放大作用。 第四页 3～三极管的特性曲线 a、输入特性 图2 ,b)是三极管的输入特性曲线～它示Ib随Ube的变化关系～其特点是:1, 当Uce在0-2伏范围内～曲线位臵和形状与Uce 有关～但当Uce高于2伏后～曲线Uce 基本无关通常输入特性由两条曲线,?和?,表示即可。 2,当Ube,UbeR时～Ib?O称,0，UbeR)的区段为“死区”当Ube,UbeR时～Ib随 Ube增加而增加～放大时～三极管工作在较直线的区段。 3,三极管输入电阻～定义为: rbe=(?Ube/?Ib)Q点～其估算公式为: rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏, rb为三极管的基区电阻～对低频小功率管～rb约为300欧。 第四页 b、输出特性 输出特性表示Ic随Uce的变化关系,以Ib为参数,从图2,C,所示的输出特性～可见～它分为三个区域:截止区、放大区和饱和区。 截止区 当Ube,0时～则Ib?0～发射区没有电子注入基区～但由于分子的热运动～集电集仍有小量电流通过～即Ic=Iceo称为穿透电流～常温时Iceo约为几微安～锗管约为几十微安至几百微安～它与集电极反向电流Icbo的关系是: Iceo=(1+β)Icbo 常温时硅管的Icbo小于1微安～锗管的Icbo约为10微安～对于锗管～温度每升高12?～Icbo数值增加一倍～而对于硅管温度每升高8?～Icbo数值增大一倍～虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈～但由于锗管的Icbo值本身比硅管大～所以锗管仍然受温度影响较严重的管～放大区～当晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时～Ic随Ib近似作线性变化～放大区是三极管工作在放大状态的区域。 饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时～Ic基本上不随Ib而变化～失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏臵情况～可能判别其工作状态。 综上所述～三极管的基本特点为 发射区很厚～掺杂浓度最高, 基区很薄～掺杂浓度最小, 集电区很厚～掺杂浓度比较高。 当b极电位总是高于e极电位,c极电位总是高于b极电位时,该三极管一定处于放大状态。 3, 工作特性及参数: a. 特征频率fT:当f= fT时,三极管完全失去电流放大功能.如果工作频率大于 fT,电路将不正常工作. b. 工作电压/电流:用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围. c. hFE:电流放大倍数. d. VCEO:集电极发射极反向击穿电压,表示临界饱和时的饱和电压. e. PCM:最大允许耗散功率. f. 封装形式:指定该管的外观形状,如果其它参数都正确～封装不同将导致组件无法在正确范围内使用。 4, 判断基极和三极管的类型 先假设三极管的某极为“基极”,将黑表笔接在假设基极上,再将红表笔依次接到其余两个电极上,若两次测得的电阻都大(约几K到几十K),或者都小(几百至几K),对换表笔重复上述测量,若测得两个阻值相反(都很小或都很大),则可确定假设的基极是正确的,否则另假设一极为“基极”,重复上述测试,以确定基极. 当基极确定后,将黑表笔接基极,红表笔笔接基它两极若测得电阻值都很少,则该三极管为PNP,反之为NPN. 判断集电极C和发射极E,以NPN为例: 第五页 把黑表笔接至假充的集电极C,红表笔接到假设的发射极E,并用手捏住B和C极,读出表头所示C,E电阻值,然后将红,黑表笔反接重测.若第一次电阻比第二次小,说明原假设成立. 晶体体三极管的结构和类型 晶体三极管～是半导体基本元器件之一～具有电流放大作用～是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结～两个PN结把正块半导体分成三部分～中间部分是基区～两侧部分是发射区和集电区～排列方式有PNP和NPN两种～ 从三个区引出相应的电极～分别为基极b发射极e和集电极c。 发射区和基区之间的PN结叫发射结～集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄～而发射区较厚～杂质浓度大～PNP型三极管发射区"发射"的是空穴～其移动方向与电流方向一致～故发射极箭头向里,NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子～其移动方向与电流方向相反～故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。 三极管的封装形式和管脚识别 常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类～引脚的排列方式具有一定的规律～ 底视图位臵放臵～使三个引脚构成等腰三角形的顶点上～从左向右依次为e b c,对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己～三个引脚朝下放臵～则从左到右依次为e b c。 目前～国内各种类型的晶体三极管有许多种～管脚的排列不尽相同～在使用中不确定管脚排列的三极管～必须进行测量确定各管脚正确的位臵～或查找晶体管使用手册～明确三极管的特性及相应的技术参数和资料。 三极管的管型及管脚的判别是电子技术初学者的一项基本功～为了帮助读者迅速掌握测判方法～总结出四句口诀:“三颠倒～找基极,PN结～定管型,顺箭头～偏转大,测不准～动嘴巴。”下面让我们逐句进行解释吧。 1. 三颠倒～找基极 大家知道～三极管是含有两个PN结的半导体器件。根据两个PN结连接方式不同～可以分为NPN型和PNP型两种不同导电类型的三极管。 测试三极管要使用万用电表的欧姆挡～并选择R×100或R×1k挡位。对于指针式万用电表有～其红表笔所连接的是表内电池的负极～黑表笔则连接着表内电池的正极。假定我们并不知道被测三极管是NPN型还是PNP型～也分不清各管脚是什么电极。测试的 第一步是判断哪个管脚是基极。 第六页 这时～我们任取两个电极(如这两个电极为1、2)～用万用电 表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻～观察表针的偏转角度,接着～再取1、3两个电极和 2、3两个电极～分别颠倒测量它们的正、反向电阻～观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测 量中～必然有两次测量结果相近:即颠倒测量中表针一次偏转大～一次偏转小,剩下一次必 然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小～这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。 2.PN结～定管型 找出三极管的基极后～我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。将万用表的黑表笔接触基极～红表笔接触另外两个电极中的任一电极～若表头指针偏转角度很大～则说明被测三极管为NPN型管,若表头指针偏转角度很小～则被测管即为PNP型。 3.顺箭头～偏转大 找出了基极b～另外两个电极哪个是集电极c～哪个是发射极e呢?这时我们可以用测穿透电流ICEO的方法确定集电极c和发射极e。 (1)对于NPN型三极管～由NPN型三极管穿透电流的流向原理～用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec～虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小～但仔细观察～总会有一次偏转角度稍大～此时电流的流向一定是:黑表笔?c极?b极?e极?红表笔～电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致～所以此时黑表笔所接的一定是集电极c～红表笔所接的一定是发射极e。 (2)对于PNP型的三极管～道理也类似于NPN型～其电流流向一定是:黑表笔?e极?b极 ?c极?红表笔～其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致～所以此时黑表笔所接的一 定是发射极e～红表笔所接的一定是集电极c。 4.测不出～动嘴巴 若在“顺箭头～偏转大”的测量过程中～若由于颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时～就要“动嘴巴”了。具体方法是:在“顺箭头～偏转大”的两次测量中～用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部～用嘴巴含住(或用舌头抵住)基电极b～仍用“顺箭头～偏转大”的判别方法即可区分开集电极c与发射极e。其中人体起到直流偏臵电阻的作用～目的是使效果更加明显。 晶体三极管具有电流放大作用～其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数～用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值～但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。 第七页 晶体三极管的三种工作状态 截止状态:当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压～基极电流为零～集电极电流和发射极电流都为零～三极管这时失去了电流放大作用～集电极和发射极之间相当于开关的断开状态～我们称三极管处于截止状态。 放大状态:当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压～并处于某一恰当的值时～三极管的发射结正向偏臵～集电结反向偏臵～这时基极电流对集电极电流起着控制作用～使三极管具有电流放大作用～其电流放大倍数β,ΔIc/ΔIb～这时三极管处放大状态。 饱和导通状态:当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压～并当基极电流增大到一定程度时～集电极电流不再随着基极电流的增大而增大～而是处于某一定值附近不怎么变化～这时三极管失去电流放大作用～集电极与发射极之间的电压很小～集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。 根据三极管工作时各个电极的电位高低～就能判别三极管的工作状态～因此～电子维修人员在维修过程中～经常要拿多用电表测量三极管各脚的电压～从而判别三极管的工作情况和工作状态。 使用多用电表检测三极管 三极管基极的判别:根据三极管的结构示意图～我们知道三极管的基极是三极管中两个PN结的公共极～因此～在判别三极管的基极时～只要找出两个PN结的公共极～即为三极管的基极。具体方法是将多用电表调至电阻挡的R×1k挡～先用红表笔放在三极管的一只脚上～用黑表笔去碰三极管的另两只脚～如果两次全通～则红表笔所放的脚就是三极管的基极。如果一次没找到～则红表笔换到三极管的另一个脚～再测两次,如还没找到～则红表笔再换一下～再测两次。如果还没找到～则改用黑表笔放在三极管的一个脚上～用红表笔去测两次看是否全通～若一次没成功再换。这样最多没量12次～总可以找到基极。 三极管类型的判别: 三极管只有两种类型～即PNP型和NPN型。判别时只要知道基极是P型材料还N型材料即可。当用多用电表R×1k挡时～黑表笔代表电源正极～如果黑表笔接基极时导通～则说明三极管的基极为P型材料～三极管即为NPN型。如果红表笔接基极导通～则说明三极管基极为N型材料～三极管即为PNP型。 三极管的基本放大电路 基本放大电路是放大电路中最基本的结构～是构成复杂放大电路的基本单元。它利用双极型半导体三极管输入电流控制输出电流的特性～或场效应半导体三极管输入电压控制输出电流的特性～实现信号的放大。本章基本放大电路的知识是进一步学习电子技术的重要基础。 第八页 基本放大电路一般是指由一个三极管或场效应管组成的放大电路。从电路的角度来看～可以将基本放大电路看成一个双端口网络。放大的作用体现在如下方面: 1(放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号～输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大～输出信号的能量得到了加强。 2(输出信号的能量实际上是由直流电源提供的～只是经过三极管的控制～使之转换成信号能量～提供给负载。 共射组态基本放大电路的组成 共射组态基本放大电路是输入信号加在加在基极和发射极之间～耦合电容器C1和Ce视为对交流信号短路。输出信号从集电极对地取出～经耦合电容器C2隔除直流量～仅将交流信号加到负载电阻RL之上。放大电路的共射组态实际上是指放大电路中的三极管是共射组态。 在输入信号为零时～直流电源通过各偏臵电阻为三极管提供直流的基极电流和直流集电极电流～并在三极管的三个极间形成一定的直流电压。由于耦合电容的隔直流作用～直流电压无法到达放大电路的输入端和输出端。 当输入交流信号通过耦合电容C1和Ce加在三极管的发射结上时～发射结上的电压变成交、直流的叠加。放大电路中信号的情况比较复杂～各信号的符号如下:由于三极管的电流放大作用～ic要比ib大几十倍～一般来说～只要电路参数设臵合适～输出电压可以比输入电压高许多倍。uCE中的交流量 有一部分经过耦合电容到达负载电阻～形成输出电压。完成电路的放大作用。 由此可见～放大电路中三极管集电极的直流信号不随输入信号而改变～而交流信号随输入信号发生变化。在放大过程中～集电极交流信号是叠加在直流信号上的～经过耦合电容～从输出端提取的只是交流信号。因此～在分析放大电路时～可以采用将交、直流信号分开的办法～可以分成直流通路和交流通路来分析。 放大电路的组成原则: 1(保证放大电路的核心器件三极管工作在放大状态～即有合适的偏臵。也就是说发射结正偏～集电结反偏。 2(输入回路的设臵应当使输入信号耦合到三极管的输入电极～形成变化的基极电流～从而产生三极管的电流控制关系～变成集电极电流的变化。 第九页 3(输出回路的设臵应该保证将三极管放大以后的电流信号转变成负载需要的电量形式,输出电压或输出电流,。 第四章: 三极管的应用及发展。 1～三极管的应用 三极管有放大～饱和和截止三种工作状态～前一种状态被广泛运用于信号的放大～二后两种状态常被用做电子开关。 a～信号开关。这是最普遍的应用～因为成本比MOS管低～使用简单～也不需要流过很大的电流～不用担心功率损失和发热。 开关导通的原理也很简单。只要基极电流达到一定值～根据公式:集电极电流Ic=Ib*h～选择合适的限流电阻～让Ic达到阈值～三极管就会导通～这时CE间的压降大概是0.1，0.3V。 因为三极管的放大倍数h较高～所以不要求Ib很大～通常用法是使用CPU的输出管脚直接控制。如果电流不够～可以再接一个三极管。 需要注意两点～一是一定要留有足够的余量～二是保证集电极电流在额定值以下。 作为开关使用时～三极管的基极大多有两个电阻分压～防止集电极电流过大而损坏三极管～一般阻值是几K到几十K。很多厂家生产时会把这两个电阻集成到三极管内部～叫做数字三极管～专门用做开关使用。这样做的好处是减小基板面积～缩短焊接时间～减少元件个数～等等。 b～稳压电源。与稳压二极管或者专门的IC配合使用～作为线型稳压电源的输出三极管使用～这在以前写的《线性稳压器基础》中有较详细的介绍。需要注意的是发热问题～小电流时可以用基板铜箔放热～大电流时要考虑用插件～或者再加散热片。 c～开关电源的导通管。虽然多使用MOS管～在低成本～开关频率不高的场合下～小功率双极性晶体管也有使用。,高电压大功率的开关电源也使用双极性晶体管～暂不做讨论, 因为大多用作小信号的开关～所以三极管的损失可以忽略。而它的驱动也不像MOS管那样复杂～只要提供足够的基极电流就可以了。再加上成本低～所以应用很广泛。 2～三极管的发展趋势 三极管由于其简单的构造及广泛的运用～拥有无可比拟的发展优势～由最初的电真空三极管到现在各种型号～品种繁多的类型～但是万变不离其宗～它的未来发展模式主要还是在信号放大几各种电子开关的运用上。 个人认为～尤其其信号放大功能～在微电子技术广泛运用的未来～将会有非常广阔的前景。 现在在汽车电子业来～车载电子上已经可以看到其出现的身影。并随着集成电子技术的发展～尤其是高新技术的平民化时代的到来。比如纳米技术的广泛运用与生活中～三极管越来越融合入人民的生活之中～在医疗～公共建设上展现其广泛的天地。 第十页 结论: 三极管由其构造及工作特性决定～其将在计算机技术中在很长一段时间的内有这不可替代的重大作用～深入挖掘三极管的特性～并对其进行推广发展有着重大的社会意义～但是同时由于其结构上的缺陷～三极管同样不是万能的。所以我们在发展三极管时～如何扬长避短将成为未来三极管发展的一个亟需面对的问题。但是～瑕不掩瑜～三极管的未来发展一定会更多的应用于计算机行业之中～又其诞生以来在计算机行业内扮演的角色可见～其始终将会成为伴随计算机领域发展的坚实一环。 参考文献。 1, 深度饱和三极管等效电路模型分析 – 作者～廖波～伍学珍. 2～基于GIS/RFID的车俩终端系统在大型车队的集中应用 – 作者～侯玉文～宋瑞良 3～集成电路速查大全 - 尹雪飞 4～三极管发展史 - History of Triode Developing P. D. Mash 第十一页