三極管,全稱應為半導體三極管,也稱雙極型晶體管、晶體三極管,是一種控制電流的半導體器件。其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號,也用作無觸點開關。
三極管是半導體基本元器件之一,具有電流放大作用,是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結,兩個PN結把整塊半導體分成三部分,中間部分是基區,兩側部分是發射區和集電區,排列方式有PNP和NPN兩種。
基本釋義
三極管 (也稱晶體管)在中文含義裏面只是對三個引腳的放大器件的統稱,我們常說的三極管,可能是幾種器件。
可以看到,雖然都叫三極管,其實在英文裏面的說法是仟差萬別的,三極管這個詞匯其實也是中文特有的一個象形意義上的的詞匯。
雙極型晶體管(三極管)
雙極型晶體管(三極管) [4]
“Triode”(電子三極管)這個是英漢詞典裏面 “三極管” 的唯一英文翻譯,與電子三極管初次出現有關,是真正意義上的三極管這個詞最初所指的物品。其余的在中文裏稱作三極管的器件,實際翻譯時不可以翻譯成Triode。
電子三極管 Triode (俗稱電子管的一種)
雙極型晶體管 BJT (Bipolar Junction Transistor)
J型場效應管 Junction gate FET(Field Effect Transistor)
金屬氧化物半導體場效應晶體管 MOS FET ( Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistor)英文全稱
V型槽場效應管 VMOS (Vertical Metal Oxide Semiconductor )
註:這三者看上去都是場效應管,其實金屬氧化物半導體場效應晶體管 、V型槽溝道場效應管 是 單極(Unipolar)結構的,是和 雙極(Bipolar)是對應的,所以也可以統稱為單極晶體管(Unipolar Junction Transistor)。
其中J型場效應管是非絕緣型場效應管,MOS FET 和VMOS都是絕緣型的場效應管。
VMOS是在 MOS的基礎上改進的一種大電流,高放大倍數(跨道)新型功率晶體管,區別就是使用了V型槽,使MOS管的放大繫數和工作電流大幅提升,但是同時也大幅增加了MOS的輸入電容,是MOS管的一種大功率改進型產品,但是結構上已經與傳統的MOS發生了巨大的差異。VMOS只有增強型的而沒有MOS所特有的耗盡型的MOS管。
工作原理
理論原理
晶體三極管(以下簡稱三極管)按材料分有兩種:鍺管和矽管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式,但使用最多的是矽NPN和鍺PNP兩種三極管,(其中,N是負極的意思(代錶英文中Negative),N型半導體在高純度矽中加入磷取代一些矽原子,在電壓刺激下產生自由電子導電,而P是正極的意思(Positive)是加入硼取代矽,產生大量空穴利於導電)。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矽管的電流放大原理。
對於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 (Emitter)、基極b (Base)和集電極c (Collector)。
當b點電位高於e點電位零點幾伏時,發射結處於正偏狀態,而C點電位高於b點電位幾伏時,集電結處於反偏狀態,集電極電源Ec要高於基極電源Eb。
在制造三極管時,有意識地使發射區的多數載流子濃度大於基區的,同時基區做得很薄,而且,要嚴格控制雜質含量,這樣,一旦接通電源後,由於發射結正偏,發射區的多數載流子(電子)及基區的多數載流子(空穴)很容易地越過發射結互相嚮對方擴散,但因前者的濃度基大於後者,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子流。
由於基區很薄,加上集電結的反偏,註入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電極電流Icn,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Ibn.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繫,即:
β1=Ic/Ib
式中:β1--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,由於低頻時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。
α1=Ic/Ie(Ic與Ie是直流通路中的電流大小)
式中:α1也稱為直流放大倍數,一般在共基極組態放大電路中使用,描述了發射極電流與集電極電流的關繫。
α =△Ic/△Ie
錶達式中的α為交流共基極電流放大倍數。同理α與α1在小信號輸入時相差也不大。
三極管的電流放大作用實際上是利用基極電流的微小變化去控制集電極電流的較大變化。 [3]
三極管是一種電流放大器件,但在實際使用中常常通過電阻將三極管的電流放大作用轉變為電壓放大作用。
放大原理
1、發射區嚮基區發射電子
電源Ub經過電阻Rb加在發射結上,發射結正偏,發射區的多數載流子(自由電子)不斷地越過發射結進入基區,形成發射極電流Ie。同時基區多數載流子也嚮發射區擴散,但由於多數載流子濃度遠低於發射區載流子濃度,可以不考慮這個電流,因此可以認為發射結主要是電子流。
2、基區中電子的擴散與復合
電子進入基區後,先在靠近發射結的附近密集,漸漸形成電子濃度差,在濃度差的作用下,促使電子流在基區中嚮集電結擴散,被集電結電場拉入集電區形成集電極電流Ic。也有很小一部分電子(因為基區很薄)與基區的空穴復合,擴散的電子流與復合電子流之比例決定了三極管的放大能力。
3、集電區收集電子
由於集電結外加反嚮電壓很大,這個反嚮電壓產生的電場力將阻止集電區電子嚮基區擴散,同時將擴散到集電結附近的電子拉入集電區從而形成集電極主電流Icn。另外集電區的少數載流子(空穴)也會產生漂移運動,流嚮基區形成反嚮飽和電流,用Icbo來錶示,其數值很小,但對溫度卻異常敏感。
產品作用
晶體三極管具有電流放大作用,其實質是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數,用符號“β”錶示。電流放大倍數對於某一只三極管來說是一個定值,但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。