简介 世界上第一个三极管是真空三极管,由美国发明家弗雷斯特发明,但是真空三极管存在笨重、耗能、反应慢等缺点。1947年12月23日,美国贝尔实验室的3位科学家——巴丁博士、布莱顿博士和肖克莱博士发明了晶体三极管。早期三极管材料为锗晶体,后期改为性能更优异的硅晶体。现在三极管已成为集成电路等电子电路领域的重要组成部分。
三极管是一种控制器件,也是电子电路核心器件,可用来对微弱信号进行放大或作为无触头开关。三极管实现放大作用的条件是发射极加正偏电压,集电极加反偏电压,并且基区宽度
足够小。三极管在电路中还具有变阻、变容、稳压、功放等作用。同时具有结构牢固、寿命长、体积小、耗电省等一系列独特优点。三极管从出现以来, 以构造简单, 开关速度高而广泛应用, 它为集成电路的发展做出了卓越的贡献, 并为计算机的发展铺平了道路。它是电子学的开端, 并推动了人类文明的进程。
发展历程 真空三极管 世界上第一个三极管是真空三极管,该种三极管是一种电子管,由美国发明家弗雷斯特发明。1906年6月26日该发明被正式授予发明专利。相较于真空二极管的检波功能,真空三极管能够实现电流放大功能,并增大电子设备间的通信距离。1910年德国科学家发明分子泵,使真空三极管的真空度提高,进而提高使用寿命。由此真空三极管广泛应用于远程无线电通讯等领域。
真空三极管存在笨重、耗能、反应慢等缺点。二战时,军事上急切需要一种稳定可靠、快速灵敏的电信号放大元件,而研究成果在二战结束后获得。
晶体三极管 1947年12月23日,美国贝尔实验室的3位科学家——巴丁博士、布莱顿博士和肖克莱博士发明了晶体三极管。因其在圣诞节前发明,且对人们未来生活产生巨大影响,所以被称为 “献给世界的圣诞节礼物”。这三位科学家因此共同荣获1956年诺贝尔物理学奖。
晶体管(包括晶体三极管)虽然从技术意义上完成了革命,但是在实际应用中要代替电子管还不得不面临市场的考验。1951年,用合金方法制造的锗晶体管已经问世,有了比较稳定的放大性能,但实际应用上还远远不如电子管,存在着频率特性差、噪声大、功率低、寿命短等缺点。随着工艺结构的不断改进,锗、硅等半导体材料的纯度逐渐提高,晶体管的优势因此日渐显现。
1956年,用扩散方法成功制作出晶体管,使晶体管的频率性能和功率容量大大提高,晶体管技术步入成熟阶段,各种高频晶体管陆续问世,锗管则逐渐被淘汰。
晶体管自诞生之后不断小型化,并带动了制造工艺的创新,而从合金工艺制作到平面工艺制作的创新使晶体管小型化迈出更大的一步。平面工艺不仅把半导体器件的生产推进到大批量生产的新阶段,而且为集成电路的诞生奠定了工业技术基础。
经过半个世纪的发展,晶体三极管变得种类繁多,形貌各异。同时晶体管带来并促进了“固态革命”,进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件,它首先及时、普遍地在通讯工具方面得到应用,并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构,集成电路以及大规模集成电路应运而生,于是高速电子计算机之类的高精密装置的制造成为可能。
结构组成 真空三极管 真空三极管由真空二极管演变而来。如图,真空二极管也称电子二极管,是电子管中结构最简单的一种,管内只有一个阴极(负极)和一个阳极(正极)。在真空二极管的阳极和阴极之间加装一个栅状或网状的电极,就构成了真空三极管。在真空三极管中,栅状电极称为控制栅极或第一栅极,改变加在栅极上的电压时,就能改变阳极电流的大小。相比于阳极电压,栅极电压的改变引起的阳极电流的改变量更大。真空三极管可做成各种放大器、振荡器、调制器、脉冲发生器以及其他电子装置。但目前真空三极管已基本被晶体三极管取代,电子管也多被晶体管取代。
电子二极管原理 内部构造
三极管顾名思义具有三个电极,这三个电极分别为处于中间位置的基极(区)B,集电极(区)C和发射极(区)E,其中箭头方向表示发射极正偏时发射极电流的实际方向。由于不同的组合方式,晶体三极管可分为NPN型三极管和PNP型三极管。
载流子分布
三极管的核心组成部分是半导体,其中包含P型半导体和N型半导体,它们之间的界面称为PN结。在半导体中同时存在着电子导电 和空穴导电 ,但由于这两种(电子和空穴)载流子 数量很少,所以无杂质的半导体导电能力远不如自由电子丰富的金属。如果在半导体中掺入少量的杂质,半导体的导电性能将会大大的改善。如在纯净的半导体硅(Si)中掺入少量的磷(P)等五价元素,就构成了电子型半导体(简称N型半导体) ;或掺入硼(B)等三价元素,就构成了空穴型半导体(简称P型半导体) 。晶体三极管的三个电极既可以是P型半导体,也可以是N型半导体。
PN结示意图 三极管的主要工作原理是实现电流的放大作用,即放大原理。通常实现放大原理须要求输入端的PN结(发射结)正向偏置,输出端PN结(集电结)反向偏置( 即电流流向为从P型半导体流向N型半导体),同时基区宽度
输出电路中的电流与输入电路中的电流之比就叫做该种接法下的电流放大系数。由于三种接法的输入回路和输出回路都是不同的,因而三种电路有三种不同的电流放大系数。但是三极管的三个极的电流分配关系不随接法不同而改变,即:
输出特性 三极管的输出特性如图所示,横坐标表示集电极和发射极间的电压
产品分类 三极管的种类很多,并且不同型号各有不同的用途,下面介绍常见分类。
按工作原理分 真空三极管 :在真空二极管的阴极和阳极之间添加了另一个电极,就构成了真空三极管。在晶体管诞生之前,电信号的放大主要通过电子管(真空三极管)。真空三极管还可做成各种放大器、振荡器、调制器、脉冲发生器以及其他电子装置。但是真空三极管制作起来较困难、寿命短,而且体积大、耗能高、易损坏。
晶体三极管 :可分为NPN型三极管和PNP型三极管,在发射结正向偏置,集电结反向偏置时导通,同样具有电流放大作用。晶体三极管广泛应用于电子电路中,具有放大、开关、变阻、变容、稳压、功放等作用,同时具有结构牢固、寿命长、体积小、耗电省等一系列独特优点。
按用途分 放大管 :应用在模拟电路中,用来放大电路中的电流信号,此时三极管处于放大状态。需要注意的是,三极管的发射极与集电极的功能不同,在将三极管用作放大管时,其发射极和集电极不能互换,否则管子的参数和特性将发生变化。
开关管 :应用在数字电路中。三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关,它截止时相当于开关断开,饱和时相当于开关闭合。三极管作为开关管时,输出电压与输入电压值大小无关,但三极管的导通与截止也有一个时间响应问题,即开关速度问题。所以在高频电路中,要选取专用的开关管。
达林顿管 :也称复合晶体管。将两个或多个三极管的集电极连在一起,将第一个三极管的发射极直接接到第二个三极管的基极,依次级联而成,最后引出E、B、C三个电极,组成一个等效三极管。这只等效三极管的放大倍数是原来若干个三极管电流法放大倍数之积,故其电流放大倍数非常高。达林顿管具有放大倍数高、输入阻抗大、热稳定性好、开关速度快、电路简单的优点,常用于稳压电源电路、大功率开关电路、音频功率放大电路、电机调速电路、逆变电路、LED显示器电路等。
光敏三极管 :也称光电三极管,电流受外部光照控制。光敏三极管相当于在三极管的基极和集电极之间接入了一个光电二极管,光电二极管的电流相当于三极管的基极电流。光电三极管一般仅引出集电极和发射极,基极作为光接收窗口,并根据光照强度控制集电极电流大小。无光照时,光电三极管处于截止状态,无电信号输出。当光信号照射基极时,光电三极管导通,首先通过光电二极管实现光电转换,再经由三极管实现光电流放大。光敏三极管主要用于光电自动控制电路、光耦合电路、光探测电路、光接收电路、编译译码电路等。
按极性分 NPN型三极管 :常用的三极管,电流从集电极流向发射极。
PNP型三极管 :电流从发射极流向集电极,与NPN型三极管电路图形的箭头方向不同。
按材料分 硅三极管 :简称硅管,常用的三极管,工作稳定性好。
锗三极管 :简称锗管,反向电流大,受温度影响大。
一般地,在已知三极管极性后,可通过万用表测量该管是硅管还是锗管。将万用表拨到适宜的电阻挡。对于NPN型三极管,正表笔接发射极E,负表笔接基极B;而对于PNP型三极管,则需要将负表笔接发射极E,正表笔接基极B。线路接好后给发射极加上正向电压,读取万用表电压确定
由第一部分到第五部分组成的器件型号的符号及其意义如下表:
第一部分
第二部分
第三部分
第四部分
第五部分
用阿拉伯数字表示器件的电极数目
用汉语拼音字母表示器件的材料和极性
用汉语拼音字母表示器件的类别
用阿拉伯数字表示登记顺序号
用汉语拼音字母表示规格号
符号
意义
符号
意义
符号
意义
2
二极管
A
N型,锗材料
P
小信号管
B
P型,锗材料
H
混频管
C
N型,硅材料
V
检波管
D
P型,硅材料
W
电压调整管和电压基准管
E
化合物或合金材料
C
变容管
Z
整流管
3
三极管
A
PNP型,锗材料
L
整流堆
B
NPN型,锗材料
S
隧道管
C
PNP型,硅材料
K
开关管
D
NPN型,硅材料
N
噪声管
E
化合物或合金材料
F
限幅管
X
低频小功率晶体管
(
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