什么是晶體管-晶體管基礎(chǔ)知識圖解

晶體管是一種固體半導體器件，具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關(guān)，能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機械開關(guān)（如Relay、switch）不同，晶體管利用電訊號來控制自身的開合，而且開關(guān)速度可以非常快，實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

晶體管分類

材料

按晶體管使用的半導體材料可分為硅材料晶體管和鍺材料晶體管。按晶體管的極性可分為鍺NPN型晶體管、鍺PNP晶體管、硅NPN型晶體管和硅PNP型晶體管。

工藝

晶體管按其結(jié)構(gòu)及制造工藝可分為擴散型晶體管、合金型晶體管和平面型晶體管。

電流容量

晶體管按電流容量可分為小功率晶體管、中功率晶體管和大功率晶體管。

工作頻率

晶體管按工作頻率可分為低頻晶體管、高頻晶體管和超高頻晶體管等。

封裝結(jié)構(gòu)

晶體管按封裝結(jié)構(gòu)可分為金屬封裝（簡稱金封）晶體管、塑料封裝（簡稱塑封）晶體管、玻璃殼封裝（簡稱玻封）晶體管、表面封裝（片狀）晶體管和陶瓷封裝晶體管等。其封裝外形多種多樣。

按功能和用途

晶體管按功能和用途可分為低噪聲放大晶體管、中高頻放大晶體管、低頻放大晶體管、開關(guān)晶體管、達林頓晶體管、高反壓晶體管、帶阻晶體管、帶阻尼晶體管、微波晶體管、光敏晶體管和磁敏晶體管等多種類型。

晶體管種類

半導體三極管

是內(nèi)部含有兩個PN結(jié)，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(guān)等作用，應用十分廣泛。輸入級和輸出級都采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，它屬于半導體集成電路的一種，其中用得最普遍的是TTL與非門。TTL與非門是將若干個晶體管和電阻元件組成的電路系統(tǒng)集中制造在一塊很小的硅片上，封裝成一個獨立的元件。半導體三極管是電路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）表示。

半導體三極管主要分為兩大類：雙極性晶體管（BJT）和場效應晶體管（FET）。晶體管有三個極；雙極性晶體管的三個極，分別由N型跟P型組成發(fā)射極（Emitter）、基極 （Base） 和集電極（Collector）；場效應晶體管的三個極，分別是源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）。晶體管因為有三種極性，所以也有三種的使用方式，分別是發(fā)射極接地（又稱共射放大、CE組態(tài)）、基極接地、集電極接地。最常用的用途應該是屬于訊號放大這一方面，其次是阻抗匹配、訊號轉(zhuǎn)換……等，晶體管在電路中是個很重要的組件，許多精密的組件主要都是由晶體管制成的。

三極管的導通 三極管處于放大狀態(tài)還是開關(guān)狀態(tài)要看給三極管基極加的直流偏 置，隨這個電流變化，三極管工作狀態(tài)由截止-線性區(qū)-飽和狀態(tài)變化而變， 如果三極管Ib（直流偏置點）一定時，三極管工作在線性區(qū)，此時Ic電流的變化只隨著Ib的交流信號變化，Ib繼續(xù)升高，三極管進入飽和狀態(tài)，此時三極管的Ic不再變化，三極管將工作在開關(guān)狀態(tài)。

三極管為開關(guān)管使用時工作在飽和狀態(tài)1，用放大狀態(tài)1表示不是很科學。

請對照三極管手冊的Ib；Ic曲線加以參考我的回答來理解三極管的工作狀態(tài)，三極管be結(jié)和ce結(jié)導通三極管才能正常工作。

如果三極管沒有加直流偏置時，放大電路時輸入的交流正弦信號正半周時，基極對發(fā)射極而言是正的，由于發(fā)射結(jié)加的是反向電壓，此時沒有基極電流和集電極電流，此時集電極電流變化與基極反相，在輸入電壓的負半周，發(fā)射極電位對于基極電位為正的，此時由于發(fā)射極加的是正向電壓，才有基極和集電極電流通過，此時集電極電流變化與基極同相，在三極管沒有加直流偏置時三極管be結(jié)和ce結(jié)導通，三極管放大電路將只有半個波輸出將產(chǎn)生嚴重的失真。

晶體管被認為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一，在重要性方面可以與印刷術(shù)，汽車和電話等發(fā)明相提并論。晶體管實際上是所有現(xiàn)代電器的關(guān)鍵活動（active）元件。晶體管在當今社會的重要性，主要是因為晶體管可以使用高度自動化的過程，進行大規(guī)模生產(chǎn)的能力，因而可以不可思議地達到極低的單位成本。

雖然數(shù)以百萬計的單體晶體管還在使用，但是絕大多數(shù)的晶體管是和電阻、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(shù)字的或者這兩者被集成在同一塊芯片上。設(shè)計和開發(fā)一個復雜芯片的成本是相當高的，但是當分攤到通常百萬個生產(chǎn)單位上，每個芯片的價格就是最小的。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(shù)量達2.89億個。

晶體管的低成本、靈活性和可靠性使得其成為非機械任務的通用器件，例如數(shù)字計算。在控制電器和機械方面，晶體管電路也正在取代電機設(shè)備，因為它通常是更便宜、更有效地，僅僅使用標準集成電路并編寫計算機程序來完成同樣的機械任務，使用電子控制，而不是設(shè)計一個等效的機械控制。

因為晶體管的低成本和后來的電子計算機、數(shù)字化信息的浪潮來到了。由于計算機提供快速的查找、分類和處理數(shù)字信息的能力，在信息數(shù)字化方面投入了越來越多的精力。今天的許多媒體是通過電子形式發(fā)布的，最終通過計算機轉(zhuǎn)化和呈現(xiàn)為模擬形式。受到數(shù)字化革命影響的領(lǐng)域包括電視、廣播和報紙。

電力晶體管

電力晶體管按英文Giant Transistor直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有時也稱為Power BJT；其特性有：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，但驅(qū)動電路復雜，驅(qū)動功率大；GTR和普通雙極結(jié)型晶體管的工作原理是一樣的。

光晶體管

光晶體管（phototransistor）由雙極型晶體管或場效應晶體管等三端器件構(gòu)成的光電器件。光在這類器件的有源區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生光生載流子，通過內(nèi)部電放大機構(gòu)，產(chǎn)生光電流增益。光晶體管三端工作，故容易實現(xiàn)電控或電同步。光晶體管所用材料通常是砷化鎵（GaAs），主要分為雙極型光晶體管、場效應光晶體管及其相關(guān)器件。雙極型光晶體管通常增益很高，但速度不太快，對于GaAs-GaAlAs，放大系數(shù)可大于1000，響應時間大于納秒，常用于光探測器，也可用于光放大。場效應光晶體管響應速度快（約為50皮秒），但缺點是光敏面積小，增益小（放大系數(shù)可大于10），常用作極高速光探測器。與此相關(guān)還有許多其他平面型光電器件，其特點均是速度快（響應時間幾十皮秒）、適于集成。這類器件可望在光電集成中得到應用。

雙極晶體管

雙極晶體管（bipolar transistor）指在音頻電路中使用得非常普遍的一種晶體管。雙極則源于電流系在兩種半導體材料中流過的關(guān)系。雙極晶體管根據(jù)工作電壓的極性而可分為NPN型或PNP型。

雙極結(jié)型

“雙極”的含義是指其工作時電子和空穴這兩種載流子都同時參與運動。雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT）又稱為半導體三極管，它是通過一定的工藝將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu)；外部引出三個極：集電極，發(fā)射極和基極，集電極從集電區(qū)引出，發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出，基極從基區(qū)引出（基區(qū)在中間）；BJT有放大作用，重要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸?shù)竭_集電區(qū)而實現(xiàn)的，為了保證這一傳輸過程，一方面要滿足內(nèi)部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時基區(qū)厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結(jié)要正向偏置（加正向電壓）、集電結(jié)要反偏置；BJT種類很多，按照頻率分，有高頻管，低頻管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半導體材料分，有硅管和鍺管等；其構(gòu)成的放大電路形式有：共發(fā)射極、共基極和共集電極放大電路。

場效應晶體管

“場效應”的含義是這種晶體管的工作原理是基于半導體的電場效應的。

場效應晶體管（field effect transistor）利用場效應原理工作的晶體管，英文簡稱FET。場效應晶體管又包含兩種主要類型：結(jié)型場效應管（Junction FET，縮寫為JFET）和金屬-氧化物半導體場效應管（Metal-Oxide Semiconductor FET，縮寫為MOS-FET）。與BJT不同的是，F(xiàn)ET只由一種載流子（多數(shù)載流子）參與導電，因此也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件，具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點。

場效應就是改變外加垂直于半導體表面上電場的方向或大小，以控制半導體導電層（溝道）中多數(shù)載流子的密度或類型。它是由電壓調(diào)制溝道中的電流，其工作電流是由半導體中的多數(shù)載流子輸運。這類只有一種極性載流子參加導電的晶體管又稱單極型晶體管。與雙極型晶體管相比，場效應晶體管具有輸入阻抗高、噪聲小、極限頻率高、功耗小，制造工藝簡單、溫度特性好等特點，廣泛應用于各種放大電路、數(shù)字電路和微波電路等。以硅材料為基礎(chǔ)的金屬0-氧化物-半導體場效應管（MOSFET）和以砷化鎵材料為基礎(chǔ)的肖特基勢壘柵場效應管（MESFET ）是兩種最重要的場效應晶體管，分別為MOS大規(guī)模集成電路和MES超高速集成電路的基礎(chǔ)器件。

靜電感應

靜電感應晶體管SIT（Static Induction Transistor）誕生于1970年，實際上是一種結(jié)型場效應晶體管。將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導電的器

件，其工作頻率與電力MOSFET相當，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合，目前已在雷達通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等某些專業(yè)領(lǐng)域獲得了較多的應用。

但是SIT在柵極不加任何信號時是導通的，柵極加負偏壓時關(guān)斷，這被稱為正常導通型器件，使用不太方便。此外，SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應用。

單電子晶體管

用一個或者少量電子就能記錄信號的晶體管。隨著半導體刻蝕技術(shù)和工藝的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度越來越高。以動態(tài)隨機存儲器（DRAM）為例，它的集成度差不多以每兩年增加四倍的速度發(fā)展，預計單電子晶體管將是最終的目標。目前一般的存儲器每個存儲元包含了20萬個電子，而單電子晶體管每個存儲元只包含了一個或少量電子，因此它將大大降低功耗，提高集成電路的集成度。1989年斯各特（J.H. F.Scott-Thomas）等人在實驗上發(fā)現(xiàn)了庫侖阻塞現(xiàn)象。在調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)界面形成的二維電子氣上面，制作一個面積很小的金屬電極，使得在二維電子氣中形成一個量子點，它只能容納少量的電子，也就是它的電容很小，小于一個？F （10~15法拉）。當外加電壓時，如果電壓變化引起量子點中電荷變化量不到一個電子的電荷，則將沒有電流通過。直到電壓增大到能引起一個電子電荷的變化時，才有電流通過。因此電流-電壓關(guān)系不是通常的直線關(guān)系，而是臺階形的。這個實驗在歷史上第一次實現(xiàn)了用人工控制一個電子的運動，為制造單電子晶體管提供了實驗依據(jù)。為了提高單電子晶體管的工作溫度，必須使量子點的尺寸小于10納米，目前世界各實驗室都在想各種辦法解決這個問題。有些實驗室宣稱已制出室溫下工作的單電子晶體管，觀察到由電子輸運形成的臺階型電流——電壓曲線，但離實用還有相當?shù)木嚯x。

IGBT

絕緣柵雙極晶體管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）綜合了電力晶體管（Giant Transistor—GTR）和電力場效應晶體管（Power MOSFET）的優(yōu)點，具有良好的特性，應用領(lǐng)域很廣泛；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。

晶體管判別及計算

判別基極和管子的類型

選用歐姆檔的R*100（或R*1K）檔，先用紅表筆接一個管腳，黑表筆接另一個管腳，可測出兩個電阻值，然后再用紅表筆接另一個管腳，重復上述步驟，又測得一組電阻值，這樣測3次，其中有一組兩個阻值都很小的，對應測得這組值的紅表筆接的為基極，且管子是PNP型的；反之，若用黑表筆接一個管腳，重復上述做法，若測得兩個阻值都小，對應黑表筆為基極，且管子是NPN型的。

判別集電極

因為三極管發(fā)射極和集電極正確連接時β大（表針擺動幅度大），反接時β就小得多。因此，先假設(shè)一個集電極，用歐姆檔連接，（對NPN型管，發(fā)射極接黑表筆，集電極接紅表筆）。測量時，用手捏住基極和假設(shè)的集電極，兩極不能接觸，若指針擺動幅度大，而把兩極對調(diào)后指針擺動小，則說明假設(shè)是正確的，從而確定集電極和發(fā)射極。

電流放大系數(shù)β的估算

選用歐姆檔的R*100（或R*1K）檔，對NPN型管，紅表筆接發(fā)射極，黑表筆接集電極，測量時，只要比較用手捏住基極和集電極（兩極不能接觸），和把手放開兩種情況小指針擺動的大小，擺動越大，β值越高。

晶體管檢測更換

電路中的晶體管主要有晶體二極管、晶體三極管、可控硅和場效應管等等，其中最常用的是三極管和二極管，如何正確地判斷二、三極管的好壞等是學維修關(guān)鍵之一。

1晶體二極管：首先我們要知道該二極管是硅管還是鍺管的，鍺管的正向壓降一般為0.1伏～0.3伏之間，而硅管一般為0.6伏～0.7伏之間。測量方法為：用兩只萬用表測量，當一只萬用表測量其正向電阻的同時用另外一只萬用表測量它的管壓降。最后可根據(jù)其管壓降的數(shù)值來判斷是鍺管還是硅管。硅管可用萬用表的R×1K擋來測量，鍺管可用R×100擋來測。一般來說，所測的二極管的正反向電阻兩者相差越懸殊越好。一般如正向電阻為幾百到幾千歐，反向電阻為幾十千歐以上，就可初步斷定這個二極管是好的。同時可判定二極管的正負極，當測得的阻值為幾百歐或幾千歐時，為二極管的正向電阻，這時負表筆所接的為負極，正表筆所接的為正極。另外，如果正反向電阻為無窮大，表示其內(nèi)部斷線；正反向電阻一樣大，這樣的二極管也有問題；正反向電阻都為零表示已短路。

2晶體三極管：　晶體三極管主要起放大作用，那么如何來判測三極管的放大能力呢？其方法是：將萬用表調(diào)到R×100擋或R×1K擋，當測NPN型管時，正表筆接發(fā)射極，負表筆接集電極，測出的阻值一般應為幾千歐以上；然后在基極和集電極之間串接一個100千歐的電阻，這時萬用表所測的阻值應明顯的減少，變化越大，說明該三極管的放大能力越強，如果變化很小或根本沒有變化，那就說明該三極管沒有放大能力或放大能力很弱。

電極的判斷方法

測量的鍺管用R*100檔，硅管用R*1k檔，先固定紅表筆與任意一支腳接觸，黑表筆分別對其余兩支腳測量。看能否找到兩個小電阻，若不能再把紅表筆移向其他的腳繼續(xù)測量照顧到兩個小電阻為止，若固定紅線找不到兩個小電阻，可固定黑表筆繼續(xù)查找。

當找到兩個小電阻后，所固定的一支表筆所用的為基極。若固定的表筆為黑筆，則三極管為NPN型，若固定的為紅筆，則該管為PNP。

A 判斷ce極電阻法

用萬用表測量除基極為的兩極的電阻，交換表筆測兩次，如果是鍺管，所測電阻較小的一次為準，若為PNP型，測黑表筆所接的為發(fā)射極，紅表筆接的是集電極，若為NPN型，測黑表筆所接的為集電極，紅表筆接的是發(fā)射極；如果是硅管，所測電阻較大的一次為準，若為PNP型，測黑表筆所接的為發(fā)射極，紅表筆接的是集電極，若為NPN型，測黑表筆所接的為集電極，紅表筆接的是發(fā)射極。

B PN結(jié)正向電阻法

分別測兩PN結(jié)的正向電阻，較大的為發(fā)射極，較小的為集電極。

C 放大系數(shù)法

用萬用表的兩支表筆與基極除外的兩支腳接觸，若為PNP，則用手指接觸基極與紅筆所接的那一極看指針擺動的情況，然后交換表筆測一次，以指針擺動幅度大的一次為準，這時，接紅表筆的為集電極；若為NPN，則用手指接觸基極與紅筆所接的那一極看指針擺動的情況，然后交換表筆測一次，以指針擺動幅度大的一次為準，這時，接黑表筆的為集電極。

注意：模擬表和數(shù)字表的區(qū)別，模擬表的紅表筆接的是電源的負極，而數(shù)字表相反。

檢測方法

1.普通達林頓管的檢測

普通達林頓管內(nèi)部由兩只或多只晶體管的集電極連接在一起復合而成，其基極b 與發(fā)射極e之間包含多個發(fā)射結(jié)。檢測時可使用萬用表的R×1 kΩ或R×10 kΩ檔來測量。

測量達林頓管各電極之間的正、反向電阻值。正常時，集電極c與基極b之間的正向電阻值（測NPN 管時，黑表筆接基極b;測PNP 管時，黑表筆接集電極c）與普通硅晶體管集電結(jié)的正向電阻值相近，為3～10 kΩ，反向電阻值為無窮大。而發(fā)射極e與基極b之間的正向電阻值（測NPN 管時，黑表筆接基極b;測PNP 管時，黑表筆接發(fā)射極e）是集電極c與基極b之間正向電阻值的2～3 倍，反向電阻值為無窮大。集電極c與發(fā)射極e之間的正、反向電阻值均應接近無窮大。若測得達林頓管的c、e極間的正、反向電阻值或b、e極、b、c極之間的正、反向電阻值均接近0，則說明該管已擊穿損壞。若測得達林頓管的b、e極b、c極之間的正、反向電阻值為無窮大，則說明該管已開路損壞。

2.大功率達林頓管的檢測

大功率達林頓在普通達林頓管的基礎(chǔ)上增加了由續(xù)流二極管和泄放電阻組成的保護電路，在測量時應注意這些元器件對測量數(shù)據(jù)的影響。

用萬用表R×1 kΩ 或R×10 kΩ 檔，測量達林頓管集電結(jié)（集電極c與基極b之間）的正、反向電阻值。正常時，正向電阻值（NPN 管的基極接黑表筆時）應較小，為1～10 kΩ，反向電阻值應接近無窮大。若測得集電結(jié)的正、反向電阻值均很小或均為無窮大，則說明該管已擊穿短路或開路損壞。

用萬用表R×100 Ω 檔，測量達林頓管發(fā)射極e與基極b之間的正、反向電阻值，正常值均為幾百歐姆至幾千歐姆（具體數(shù)據(jù)根據(jù)b、e極之間兩只電阻器的阻值不同而有所差異。例如：BU932R、MJ10025 等型號大功率達林頓管b、e極之間的正、反向電阻值均為600 Ω左右），若測得阻值為0 或為無窮大，則說明被測管已損壞。

用萬用表R×l kΩ或R×10 kΩ檔，測量達林頓管發(fā)射極e與集電極c之間的正、反向電阻值。正常時，正向電阻值（測NPN 管時，黑表筆接發(fā)射極e，紅表筆接集電極c;測PNP 管時，黑表筆接集電極c，紅表筆接發(fā)射極e）應為5～15 kΩ（BU932R 為7 kΩ），反向電阻值應為無窮大，否則是該管的c、e極（或二極管）擊穿或開路損壞。

代換原則

無論是專業(yè)無線電維修人員。還是業(yè)余無線電愛好者，在工作中都會碰到晶體管置換問題。如果掌握了晶體管的代換原則，往往能使維修工作事半功倍，提高維修效率。晶體管的置換原則可概括為三條：即類型相同、特性相近、外形相似。

一、類型相同

1.材料相同。即鍺管置換鍺管，硅管置換硅管。

2.極性相同。即npn型管置換npn型管，pnp型管置換pnp型管。

二、特性相近

用于置換的晶體管應與原晶體管的特性相近，它們的主要參數(shù)值及特性曲線應相差不多。晶體管的主要參數(shù)近20個，要求所有這些參數(shù)都相近，不但困難，而且沒有必要。一般來說，只要下述主要參數(shù)相近，即可滿足置換要求。

1.集電板最大直流耗散功率（pcm）

一般要求用pcm與原管相等或較大的晶體管進行置換。但經(jīng)過計算或測試，如果原晶體管在整機電路中實際直流耗散功率遠小于其pcm，則可以用pcm較小的晶體管置換。

2.集電極最大允許直流電流（icm）

一般要求用icm與原管相等或較大的晶體管進行置換。

3.擊穿電壓

用于置換的晶體管，必須能夠在整機中安全地承受最高工作電壓；

來源：輸配電設(shè)備網(wǎng)

4.頻率特性

晶體管頻率特性參數(shù)，常用的有以下2個：

（1）特征頻率ft：它是指在測試頻率足夠高時，使晶體管共發(fā)射極電流放大系數(shù)時的頻率。

（2）截止頻率fb：

在置換晶體管時，主要考慮ft與fb。通常要求用于置換的晶體管，其ft與fb，應不小于原晶體管對應的ft與fb。

5.其他參數(shù)

除以上主要參數(shù)外，對于一些特殊的晶體管，在置換時還應考慮以下參數(shù)：

（1）對于低噪聲晶體管，在置換時應當用噪聲系數(shù)較小或相等的晶體管。

（2）對于具有自動增益控制性能的晶體管，在置換時應當用自動增益控制特性相同的晶體管。

（3）對于開關(guān)管，在置換時還要考慮其開關(guān)參數(shù)。

三、外形相似

小功率晶體管一般外形均相似，只要各個電極引出線標志明確，且引出線排列順序與待換管一致，即可進行更換。大功率晶體管的外形差異較大，置換時應選擇外形相似、安裝尺寸相同的晶體管，以便安裝和保持正常的散熱條件。

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