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什麽是晶體管?

晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件,晶體管具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等多種功能,晶體管可用於各種各樣的數字和模擬功能。

1947年12月16日,威廉·肖克利(William Shockley)、約翰·巴頓(John Bardeen)和沃特·佈拉頓(Walter Brattain)成功地在貝爾實驗室制造出第一個晶體管。

晶體管是現代電器的最關鍵的元件之一。晶體管之所以能夠大規模使用是因為它能以極低的單位成本被大規模生產。


釋義

晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件,包括各種半導體材料制成的二極管、三極管、場效應管、晶閘管(後三者均為三端子)等。

晶體管是一種半導體器件,放大器或電控開關常用。晶體管是規範操作電腦,手機,和所有其他現代電子電路的基本構建塊。

由於其響應速度快,准確性高,晶體管可用於各種各樣的數字和模擬功能,包括放大,開關,穩壓,信號調制和振蕩器。晶體管可獨立包裝或在一個非常小的區域,可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分。

優越性

同電子管相比,晶體管具有諸多優越性:

構件沒有消耗

無論多麽優良的電子管,都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由於技術上的原因,晶體管制作之初也存在同樣的問題。隨著材料制作上的進步以及多方面的改善,晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍。

消耗電能極少

僅為電子管的十分之一或幾十分之一。它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產生自由電子。一臺晶體管收音機只要幾節幹電池就可以半年一年地聽下去,這對電子管收音機來說,是難以做到的。

不需預熱

一開機就工作。例如,晶體管收音機一開就響,晶體管電視機一開就很快出現畫面。電子管設備就做不到這一點。開機後,等一會兒才聽得到聲音,看得到畫面。顯然,在軍事、測量、記錄等方面,晶體管是非常有優勢的。

結實可靠

比電子管可靠100倍,耐沖擊、耐振動,這都是電子管所無法比擬的。另外,晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一,放熱很少,可用於設計小型、復雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密,但工序簡便,有利於提高元器件的安裝密度。

半導體三極管,是內部含有兩個PN結,外部通常為三個引出電極的半導體器件。它對電信號有放大和開關等作用,應用十分廣泛。輸入級和輸出級都採用晶體管的邏輯電路,叫做晶體管-晶體管邏輯電路,書刊和實用中都簡稱為TTL電路,它屬於半導體集成電路的一種,其中用得最普遍的是TTL與非門。TTL與非門是將若幹個晶體管和電阻元件組成的電路繫統集中制造在一塊很小的矽片上,封裝成一個獨立的元件。晶體管是半導體三極管中應用最廣泛的器件之一,在電路中用“V”或“VT”(舊文字符號為“Q”、“GB”等)錶示。

絕大多數的晶體管是和二極管|-{A|zh-cn:二極管;zh-tw:二極體}-,電阻,電容一起被裝配在微芯片(芯片)上以制造完整的電路。模擬的或數字的或者這兩者被集成在同一塊芯片上。設計和開發一個復雜芯片的成本是相當高的,但是當生產時,設計和開發芯片的費用被分攤到數以百萬計的芯片上,因此在市場上每個芯片的費用通常併不會非常昂貴。一個邏輯門包含20個晶體管,而2005年一個高級的微處理器使用的晶體管數量達2.89億個。

特別是晶體管在軍事計劃和宇宙航行中的重要性日益顯露出來以後,為爭奪電子領域的優勢地位,世界各國展開了激烈的競爭。為實現電子設備的小型化,人們不惜成本,紛紛給電子工業以巨大的財政資助。

自從1904年弗萊明發明真空二極管,1906年德福雷斯特發明真空三極管以來,電子學作為一門新興學科迅速發展起來。但是電子學真正突飛猛進的進步,還應該是從晶體管發明以後開始的。尤其是PN結型晶體管的出現,開辟了電子器件的新紀元,引起了一場電子技術的革命。在短短十余年的時間裏,新興的晶體管工業以不可戰勝的雄心和年輕人那樣無所顧忌的氣勢,迅速取代了電子管工業通過多年奮鬥才取得的地位,一躍成為電子技術領域的排頭兵。

主要參數

晶體管的主要參數有電流放大繫數、耗散功率、頻率特性、集電極最大電流、最大反嚮電壓、反嚮電流等。

放大繫數

直流電流放大繫數也稱靜態電流放大繫數或直流放大倍數,是指在靜態無變化信號輸入時,晶體管集電極電流IC與基極電流IB的比值,一般用hFE或β錶示。

交流放大倍數

交流放大倍數,也即交流電流放大繫數、動態電流放大繫數,是指在交流狀態下,晶體管集電極電流變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值,一般用hfe或β錶示。

hFE或β既有區別又關繫密切,兩個參數值在低頻時較接近,在高頻時有一些差異。

耗散功率

耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM,是指晶體管參數變化不超過規定允許值時的最大集電極耗散功率。

耗散功率與晶體管的最高允許結溫和集電極最大電流有密切關繫。晶體管在使用時,其實際功耗不允許超過PCM值,否則會造成晶體管因過載而損壞。

通常將耗散功率PCM小於1W的晶體管稱為小功率晶體管,PCM等於或大於1W、小於5W的晶體管被稱為中功率晶體管,將PCM等於或大於5W的晶體管稱為大功率晶體管。

特徵頻率fT

晶體管的工作頻率超過截止頻率fβ或fα時,其電流放大繫數β值將隨著頻率的升高而下降。特徵頻率是指β值降為1時晶體管的工作頻率。

通常將特徵頻率fT小於或等於3MHZ的晶體管稱為低頻管,將fT大於或等於30MHZ的晶體管稱為高頻管,將fT大於3MHZ、小於30MHZ的晶體管稱為中頻管。

最高頻率fM

最高振蕩頻率是指晶體管的功率增益降為1時所對應的頻率。

通常,高頻晶體管的最高振蕩頻率低於共基極截止頻率fα,而特徵頻率fT則高於共基極截止頻率fα、低於共集電極截止頻率fβ。

最大電流

集電極最大電流(ICM)是指晶體管集電極所允許通過的最大電流。當晶體管的集電極電流IC超過ICM時,晶體管的β值等參數將發生明顯變化,影響其正常工作,甚至還會損壞。

最大反嚮電壓

最大反嚮電壓是指晶體管在工作時所允許施加的最高工作電壓。它包括集電極—發射極反嚮擊穿電壓、集電極—基極反嚮擊穿電壓和發射極—基極反嚮擊穿電壓。

集電極——集電極反嚮擊穿電壓

該電壓是指當晶體管基極開路時,其集電極與發射極之間的最大允許反嚮電壓,一般用VCEO或BVCEO錶示。

基極——基極反嚮擊穿電壓

該電壓是指當晶體管發射極開路時,其集電極與基極之間的最大允許反嚮電壓,用VCBO或BVCBO錶示。

發射極——發射極反嚮擊穿電壓

該電壓是指當晶體管的集電極開路時,其發射極與基極與之間的最大允許反嚮電壓,用VEBO或BVEBO錶示。

集電極——基極之間的反嚮電流ICBO

ICBO也稱集電結反嚮漏電電流,是指當晶體管的發射極開路時,集電極與基極之間的反嚮電流。ICBO對溫度較敏感,該值越小,說明晶體管的溫度特性越好。

集電極——發射極之間的反嚮擊穿電流ICEO

ICEO是指當晶體管的基極開路時,其集電極與發射極之間的反嚮漏電電流,也稱穿透電流。此電流值越小,說明晶體管的性能越好。