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1 基本介紹

 
  雙極性晶體管（英語：bipolar transistor），全稱雙極性結型晶體管（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極管，是一種具有三個終端的電子器件。雙極性晶體管是電子學歷史上具有革命意義的一項發明，其發明者威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·布喇頓被授予了1956年的諾貝爾物理學獎。
  這種晶體管的工作，同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場效應管的單極性晶體管不同，后者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區域之間的邊界由PN結形成。
  雙極性晶體管由三部分摻雜程度不同的半導體制成，晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。以NPN晶體管為例，按照設計，高摻雜的發射極區域的電子，通過擴散作用運動到基極。在基極區域，空穴為多數載流子，而電子少數載流子。由于基極區域很薄，這些電子又通過漂移運動到達集電極，從而形成集電極電流，因此雙極性晶體管被歸到少數載流子設備。
  雙極性晶體管能夠放大信號，并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力，所以它常被用來構成放大器電路，或驅動揚聲器、電動機等設備，并被廣泛地應用于航空航天工程、醫療器械和機器人等應用產品中。

2 工作原理

 
  晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。
 
 
  NPN管它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結，而集電區與基區形成的PN結稱為集電結，三條引線分別稱為發射極e、基極b和集電極c。當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發射結處于正偏狀態，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。
  在制造三極管時，有意識地使發射區的多數載流子濃度大于基區的，同時基區做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源后，由于由于發射結正偏,，發射區的多數載流子（電子）極基區的多數載流子（控穴）很容易地截越過發射結構互相向反方各擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發射極電流Ie。由于基區很薄，加上集電結的反偏，注入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區的空穴進行復合，被復合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo根據電流連續性原理得：Ie=Ib+Ic這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關系，即：β1=Ic/Ib式中：β--稱為直流放大倍數，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β=△Ic/△Ib式中β--稱為交流電流放大倍數，由于低頻時β1和β的數值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區分，β值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變為電壓放大作用。

3 功能作用

  三極管是一種控制元件，主要用來控制電流的大小，以共發射極接法為例（信號從基極輸入，從集電極輸出，發射極接地），當基極電壓UB有一個微小的變化時，基極電流IB也會隨之有一小的變化，受基極電流IB的控制，集電極電流IC會有一個很大的變化，基極電流IB越大，集電極電流IC也越大，反之，基極電流越小，集電極電流也越小，即基極電流控制集電極電流的變化。但是集電極電流的變化比基極電流的變化大得多，這就是三極管的放大作用。IC 的變化量與IB變化量之比叫做三極管的放大倍數β（β=ΔIC/ΔIB, Δ表示變化量。），三極管的放大倍數β一般在幾十到幾百倍。
  三極管在放大信號時，首先要進入導通狀態，即要先建立合適的靜態工作點，也叫建立偏置 ，否則會放大失真。
  在三極管的集電極與電源之間接一個電阻，可將電流放大轉換成電壓放大：當基極電壓UB升高時，IB變大，IC也變大，IC 在集電極電阻RC的壓降也越大，所以三極管集電極電壓UC會降低，且UB越高，UC就越低，ΔUC=ΔUB。

4 主要參數

  1、直流參數
  （1）集電極一基極反向飽和電流Icbo，發射極開路（Ie=0)時，基極和集電極之間加上規定的反向電壓Vcb時的集電極反向電流，它只與溫度有關，在一定溫度下是個常數，所以稱為集電極一基極的反向飽和電流。良好的三極管，Icbo很小，小功率鍺管的Icbo約為1～10微安，大功率鍺管的Icbo可達數毫安，而硅管的Icbo則非常小，是毫微安級。
  （2）集電極一發射極反向電流Iceo(穿透電流）基極開路（Ib=0）時，集電極和發射極之間加上規定反向電壓Vce時的集電極電流。Iceo大約是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)IcbooIcbo和Iceo受溫度影響極大，它們是衡量管子熱穩定性的重要參數，其值越小，性能越穩定，小功率鍺管的Iceo比硅管大。
  （3）發射極---基極反向電流Iebo集電極開路時，在發射極與基極之間加上規定的反向電壓時發射極的電流，它實際上是發射結的反向飽和電流。
  （4）直流電流放大系數β1（或hEF）這是指共發射接法，沒有交流信號輸入時，集電極輸出的直流電流與基極輸入的直流電流的比值，即：β1=Ic/Ib
  2、交流參數
  （1）交流電流放大系數β（或hfe）這是指共發射極接法，集電極輸出電流的變化量△Ic與基極輸入電流的變化量△Ib之比，即：β=△Ic/△Ib一般晶體管的β大約在10-200之間，如果β太小，電流放大作用差，如果β太大，電流放大作用雖然大，但性能往往不穩定。
  （2）共基極交流放大系數α（或hfb）這是指共基接法時，集電極輸出電流的變化是△Ic與發射極電流的變化量△Ie之比，即：α=△Ic/△Ie因為△Ic＜△Ie，故α＜1。高頻三極管的α＞0.90就可以使用α與β之間的關系：α=β/（1+β）β=α/（1-α）≈1/（1-α）
  （3）截止頻率fβ、fα當β下降到低頻時0.707倍的頻率，就是共發射極的截止頻率fβ；當α下降到低頻時的0.707倍的頻率，就是共基極的截止頻率fαofβ、fα是表明管子頻率特性的重要參數，它們之間的關系為：fβ≈（1-α）fα
  （4）特征頻率fT因為頻率f上升時，β就下降，當β下降到1時，對應的fT是全面地反映晶體管的高頻放大性能的重要參數。
  3、極限參數
  （1）集電極最大允許電流ICM當集電極電流Ic增加到某一數值，引起β值下降到額定值的2/3或1/2，這時的Ic值稱為ICM。所以當Ic超過ICM時，雖然不致使管子損壞，但β值顯著下降，影響放大質量。
  （2）集電極----基極擊穿電壓BVCBO當發射極開路時，集電結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。
  （3）發射極-----基極反向擊穿電壓BVEBO當集電極開路時，發射結的反向擊穿電壓稱為BVEBO。
  （4）集電極-----發射極擊穿電壓BVCEO當基極開路時，加在集電極和發射極之間的最大允許電壓，使用時如果Vce＞BVceo，管子就會被擊穿。
  （5）集電極最大允許耗散功率PCM集電流過Ic，溫度要升高，管子因受熱而引起參數的變化不超過允許值時的最大集電極耗散功率稱為PCM。管子實際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce×Ic.使用時慶使Pc＜PCM。PCM與散熱條件有關，增加散熱片可提高PCM。

5 特性曲線

  1、輸入特性其特點是：
  1）當Uce在0-2伏范圍內，曲線位置和形狀與Uce有關，但當Uce高于2伏后，曲線Uce基本無關通常輸入特性由兩條曲線（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。
  2）當Ube＜UbeR時，Ib≈O稱（0～UbeR)的區段為“死區”當Ube＞UbeR時，Ib隨Ube增加而增加，放大時，三極管工作在較直線的區段。
  3）三極管輸入電阻，定義為:rbe=(△Ube/△Ib)Q點，其估算公式為：rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏）rb為三極管的基區電阻，對低頻小功率管，rb約為300歐。
  2、輸出特性
  輸出特性表示Ic隨Uce的變化關系（以Ib為參數），它分為三個區域：截止區、放大區和飽和區。截止區當Ube＜0時，則Ib≈0，發射區沒有電子注入基區，但由于分子的熱運動，集電集仍有小量電流通過，即Ic=Iceo稱為穿透電流，常溫時Iceo約為幾微安，鍺管約為幾十微安至幾百微安，它與集電極反向電流Icbo的關系是：Icbo=(1+β)Icbo常溫時硅管的Icbo小于1微安，鍺管的Icbo約為10微安，對于鍺管，溫度每升高12℃，Icbo數值增加一倍，而對于硅管溫度每升高8℃，Icbo數值增大一倍，雖然硅管的Icbo隨溫度變化更劇烈，但由于鍺管的Icbo值本身比硅管大，所以鍺管仍然受溫度影響較嚴重的管，放大區，當晶體三極管發射結處于正偏而集電結于反偏工作時，Ic隨Ib近似作線性變化，放大區是三極管工作在放大狀態的區域。飽和區當發射結和集電結均處于正偏狀態時，Ic基本上不隨Ib而變化，失去了放大功能。根據三極管發射結和集電結偏置情況，可能判別其工作狀態。
  截止區和飽和區是三極管工作在開關狀態的區域，三極管和導通時，工作點落在飽和區，三極管截止時，工作點落在截止區。

6 產品檢測

  大功率晶體三極管的檢測
  利用萬用表檢測中、小功率三極管的極性、管型及性能的各種方法，對檢測大功率三極管來說基本上適用。但是，由于大功率三極管的工作電流比較大，因而其PN結的面積也較大。PN結較大，其反向飽和電流也必然增大。所以，若像測量中、小功率三極管極間電阻那樣，使用萬用表的R×1k擋測量，必然測得的電阻值很小，好像極間短路一樣，所以通常使用R×10或R×1擋檢測大功率三極管。
  普通達林頓管的檢測
  用萬用表對普通達林頓管的檢測包括識別電極、區分PNP和NPN類型、估測放大能力等項內容。因為達林頓管的E－B極之間包含多個發射結，所以應該使用萬用表能提供較高電壓的R×10K擋進行測量。
  大功率達林頓管的檢測
  檢測大功率達林頓管的方法與檢測普通達林頓管基本相同。但由于大功率達林頓管內部設置了V3、R1、R2等保護和泄放漏電流元件，所以在檢測量應將這些元件對測量數據的影響加以區分，以免造成誤判。具體可按下述幾
  步驟進行
  晶體三極管
  A用萬用表R×10K擋測量B、C之間PN結電阻值，應明顯測出具有單向導電性能。正、反向電阻值應有較大差異。
  B在大功率達林頓管B－E之間有兩個PN結，并且接有電阻R1和R2。用萬用表電阻擋檢測時，當正向測量時，測到的阻值是B－E結正向電阻與R1、R2阻值并聯的結果；當反向測量時，發射結截止，測出的則是(R1＋R2)電阻之和，大約為幾百歐，且阻值固定，不隨電阻擋位的變換而改變。但需要注意的是，有些大功率達林頓管在R1、R2、上還并有二極管，此時所測得的則不是(R1＋R2)之和，而是(R1＋R2)與兩只二極管正向電阻之和的并聯電阻值。
  帶阻尼行輸出三極管的檢測
  將萬用表置于R×1擋，通過單獨測量帶阻尼行輸出三極管各電極之間的電阻值，即可判斷其是否正常。具體測試原理，方法及步驟如下：
  A將紅表筆接E，黑表筆接B，此時相當于測量大功率管B－E結的等效二極管與保護電阻R并聯后的阻值，由于等效二極管的正向電阻較小，而保護電阻R的阻值一般也僅有20～50，所以，二者并聯后的阻值也較小；反之，將表筆對調，即紅表筆接B，黑表筆接E，則測得的是大功率管B－E結等效二極管的反向電阻值與保護電阻R的并聯阻值，由于等效二極管反向電阻值較大，所以，此時測得的阻值即是保護電阻R的值，此值仍然較小。
  B將紅表筆接C，黑表筆接B，此時相當于測量管內大功率管B－C結等效二極管的正向電阻，一般測得的阻值也較小；將紅、黑表筆對調，即將紅表筆接B，黑表筆接C，則相當于測量管內大功率管B－C結等效二極管的反向電阻，測得的阻值通常為無窮大。
  C將紅表筆接E，黑表筆接C，相當于測量管內阻尼二極管的反向電阻，測得的阻值一般都較大，約300～∞；將紅、黑表筆對調，即紅表筆接C，黑表筆接E，則相當于測量管內阻尼二極管的正向電阻，測得的阻值一般都較小，約幾歐至幾十歐。

7 產品分類

  按生產工藝分：合金型、擴散型、抬面和平面型三極管。
  按內部結構分：點接觸型和面接觸型三極管。
  按工作頻率分：低頻三極管、高頻三極管、開關三極管。
  按功率分：小功率三極管、中功率三極管、大功率三極管
  按外形結構分：小功率封裝、大功率封裝、塑料封裝等

8 主要類別

  三極管只有兩種類型，即ＰＮＰ型和ＮＰＮ型。判別時只要知道基極是Ｐ型材料還是Ｎ型材料即可。當用萬用電表R×1k檔時，黑表筆代表電源正極，如果黑表筆接基極時導通，則說明三極管的基極為Ｐ型材料，三極管即為ＮＰＮ型。如果紅表筆接基極導通，則說明三極管基極為Ｎ型材料，三極管即為ＰＮＰ型。

9 注意事項

 
  鍺三極管的增益大，頻率響應好，尤其適用于低壓線路。硅三極管的反向漏電流小，耐壓高，溫度漂移小，且能在較高的溫度下工作和承受較大的功率損耗。
  （1）加到管上的電壓極性應正確。PNP管的發射極對其他兩電極是正電位，而NPN管則是負電位。
  （2）不論是靜態、動態或不穩定態（如電路開啟、關閉時），均須防止電流、電壓超出最大極限值，也不得有兩項或兩項以上多數同時達到極限值。
  （3）選用三極管主要應注意極性和下述參數：PCM、ICM、BUCEO、BUEBO、ICBO、β、fT和fβ。因有BUCBO>BUCES>BUCER>BUCEO，因此，只要BUCEO滿足要求就可以了。一般高頻工作時要求fT=(5~10)f，f為工作頻率。開關電路工作時應考慮三極管的開關參數。
 
  （4）三極管的替換。只要管子的基本參數相同，就能替換，性能高的可替換性能低的。低頻小功率管，任何型號的高、低頻小功率管都可替換它，但fT不能太高。只要fT符合要求，一般就可以代替高頻小功率管，但應選內反饋小的管子，hFE>20即可。對低頻大功率管，一般只要PCM、ICM、BUCEO符合要求即可，但應考慮hFE、UCES的影響。應滿足電路中有特殊要求的參數（如NF、開關參數）。此外，通常鍺、硅管不能互換。
  （5）工作于開關狀態的三極管，因BUEBO一般較低，所以應考慮是否要在基極回路加保護線路，以防止發射結擊穿；若集電極負載為感性（如繼電器的工作線圈），則必須加保護線路（如線圈兩端并聯續流二極管），以防線圈反電動勢損壞三極管。
  （6）管子應避免靠近熱元件，減小溫度變化和保證管殼散熱良好。功率放大管在耗散功率較大時，應加散熱板（磨光的紫銅板或鋁板）。管殼與散熱板應緊密貼牢。散熱裝置應垂直安裝，以利于空氣自然對流。
 

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