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晶体管工作原理

发布时间:2018-11-8 10:10:19 访问次数:220

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根据结构上的不同,晶体管可分为pnp型和npn型两类。在电路图形符号上可以看出两种类型晶体管的发射极箭头(代表集电极电流的方向)不同。pnp型晶体管的发射极箭头朝内,npn型晶体管的发射极箭头朝外。

晶体管三个电极的电极的作用:发射极(e极)用来发射电子;基极(b极)用来控制e极发射电子的数量;集电极(c极)用业收集电子。

晶体管的发射极电流ie与基极电流ib、集电极电流ic之间的关系如下:ie=ib+ic

晶体管属于电流控制型半导体器件,其放大特性主要是指电流放大能力。所谓放大,是指当晶体管的基极电流发生变化时,其集电极电流将发生更大的变化或在晶体管具备了工作条件后,若从基极加入一个较小的信号,则其集电极将会输出一个较大的信号。http://hfltkj.51dzw.com/

晶体管的基本工作条件是发射结(b、e极之间)要加上较低的正向电压(即正向偏置电压),集电结(b、c极之间)要加上较高的反向电压(即反向偏置电压)。

晶体管发射结的正向偏置电压约等于pn结电压,即硅管为0.6~0.7v,锗管为0.2~0.3v。集电结的反向偏置电压视具体型号而定。晶体管有截止、导通和饱和三种状态。在晶体管不具备工作条件时,它处截止状态,内阻很大,各极电流几乎为0。

当晶体管的发射结加下合适的正向偏置电压、集电结加上反向偏置电压时,晶体管导通,其内阻变小,各电极均有工作电流产生(ie=ib+ic)。适当增大其发射结的正向偏置电压、使基极电流ib增大时,集电极电流ic和发射极电流ie也会随之增大。

当晶体管发射结的正向偏置电压增大至一定值(硅管等于或略高于0.7v,锗管等于或略高于0.3v0时,晶体管将从导通放大状态进入饱和状态,此时集电极电流ic将处于较大的恒定状态,且已不受基极电流ib控制。晶体管的导通内阻很小(相当于开关被接通),集电极与发射极之间的电压低于发射结电压,集电结也由反偏状态变为正偏状态。

早在上个世纪初最初的10年,半导体材料已开始被人们应用于通信系统。而在上世纪的上半叶,无线电爱好者们中广泛流行着的矿石收音收,便是利用了矿石作为半导体材料进行检波。与此同时,半导体的电学特性也被人们应用在了电话系统中。http://hfltkj.51dzw.com/

1929年,工程师利莲费尔德已经取得了一种晶体管的专利;但限于当时的科技水平,人们要制造该种器件的材料是不可行的(材料的纯度根本无法达到人们预期的标准),致使人们没办法制造出该晶体管。

当时,电子管在处理高频信号的效果并不理想,因而人们便想方设法对矿石收音机中的矿石触须式检波器进行改进,以求取得突破。该检波器中有一根与半导体矿石表面接触的金属丝,该金属丝既能让信号电流沿一个方向流动,又能阻止信号电流朝相反方向流动。二战前夕,贝尔实验室的研究人员在寻找更好的检波材料时,发现掺有某种极微量杂质的锗晶体,其性能不仅优于矿石晶体,还在某些方面优于电子管整流器。

二战期间,不少实验室在研究有关硅、锗材料的制造方面,取得了不少的成果,这就为后来人们发明晶体管奠定了基础。

二战结束后,贝尔实验室的研究人员为了克服电子管的局限性,便加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人探讨采用半导体材料制作放大器件的可能性,并决定集中研究锗、硅等半导体材料。

1945年秋天,贝尔实验室正式成立了以肖克莱为首的半导体研究小组,该小组的成员包括了布拉顿、巴丁等人。其中,布拉顿早在1929年就在贝尔实验室工作,并长期从事半导体的研究工作,因此积累了丰富的经验。该小组经过一系列的实验和观察,逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。当他们在锗片的底面接上电极,在另一面插上细针并通上电流,然后让另一根细针尽量靠近它,并通上微弱的电流,这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化,会对另外的电流产生很大的影响,这就是“放大”作用。

布拉顿等人还想出有效的办法来实现这种放大效应。他们在基极和发射极之间输入一个弱信号,在基极和集电极之间的输出端,就放大为一个强信号了。在现代电子产品中,上述晶体三极管的放大效应得到了广泛的应用。

巴丁和布拉顿最初制成的固体器件,放大倍数为50左右。不久之后,他们利用两个靠得很近(相距0.05毫米)的触须接点,来代替金箔接点,制造了“点接触型晶体管”。1947年12月,世界上最早且实用的半导体器件问世了。他们首次试验该器件时,该器件能把音频信号放大100倍,外形比火柴棍短却要粗一些。布拉顿在为该种器件命名时,想到了它的电阻变换特性,即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的,于是取名为trans-resister(转换电阻),后来缩写为transistor,中文译名就是晶体管。

点接触型晶体管有自己的缺点,包括,噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄,另外制造工艺复杂,致使许多产品出现故障等缺点。肖克莱等人为了克服该晶体管所具有的这些缺点,于是提出了用一种"整流结"来代替金属半导体接点的大胆设想。

1950年,世界上第一只“面结型晶体管”问世了。它的性能与原来肖克莱等人设想的完全一致。1956年,肖克莱、巴丁、布拉顿三人因为发明出了晶体管,同时荣获诺贝尔物理学奖。即便到今天,全球大部分的晶体管仍是这种面结型晶体管。

1954 年,随着第一台晶体管无线电的售出,晶体管成为大众文化的一部分,这是为晶体管发明者们所称道的一个发展。

直到20世纪50年代后期,晶体管成为了电子电话转接系统的一个不可分割的组成部分,也成为便携式收音机、计算机和雷达等其它重要产品和服务的关键组件。http://hfltkj.51dzw.com/

随着半导体技术的不断发展,晶体管的运行速度也随之变得更快,可靠性更高,成本更低。1959年,随着人们能够将大量的晶体管及其它电子器件集成到一块硅片上的集成电路的发明,晶体管又取得了新的突破。这些微芯片不仅使得晶体管的创新达到了新的高度,而且还推动了信息时代的发展。

自晶体管被人们发明以来,其尺寸不断地缩小,到了今天,60亿个晶体管所占的面积就相当于一张信用卡的大小。晶体管内部由两pn结构成,其三个电极分别为集电极(用字母c或c表示),基极(用字母b或b表示)和发射极(用字母e或e表示)。晶体管的两个pn结分别称为集电结(c、b极之间)和发射结(b、e极之间),发射结与集电结之间为基区。

文章出自:我为科技狂:来源:传感器技术

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