晶體管的工作原理與作用解析|壹芯微科技

首先，電源作用于發射結上使得發射結正向偏置，發射區的自由電子不斷的流向基區，形成發射極電流；

其次，自由電子由發射區流向基區后，先聚集在發射結附近，但隨著此處自由電子的增多，在基區內部形成了電子濃度差，使得自由電子在基區中由發射結逐漸流向集電結，形成集電極電流。

最后，由于集電結處存在較大的反向電壓，阻止了集電區的自由電子向基區進行擴散，并將聚集在集電結附近的自由電子吸引至集電區，形成集電極電流。

晶體管的特點

1、構件沒有消耗

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。

2、消耗電能極少

，晶體消耗電能僅為電子管的十分之一或幾十分之一，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干電池就可以半年一年地聽下去。

3、不需預熱

晶體管一開機就工作。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。

4、結實可靠

晶體管比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動。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，可用于設計小型、復雜、可靠的電路。

晶體管作用

開關作用

控制大功率

現在的功率晶體管能控制數百千瓦的功率，使用功率晶體管作為開關有很多優點，主要是；

(1)容易關斷，所需要的輔助元器件少，

(2)開關迅速，能在很高的頻率下工作，

(3)可得到的器件耐壓范圍從100V到700V，應有盡有．

幾年前，晶體管的開關能力還小于10kW。目前，它已能控制高達數百千瓦的功率。這主要歸功于物理學家、技術人員和電路設計人員的共同努力，改進了功率晶體管的性能。如

(1)開關晶體管有效芯片面積的增加，

(2)技術上的簡化，

(3)晶體管的復合——達林頓，

(4)用于大功率開關的基極驅動技術的進步。

直接工作在整流380V市電上的晶體管功率開關

晶體管復合(達林頓)和并聯都是有效地增加晶體管開關能力的方法。

在這樣的大功率電路中，存在的主要問題是布線。很高的開關速度能在很短的連接線上產生相當高的干擾電壓。

簡單和優化的基極驅動造就的高性能

今日的基極驅動電路不僅驅動功率晶體管，還保護功率晶體管，稱之為“非集中保護” (和集中保護對照)。集成驅動電路的功能包括：

(1)開通和關斷功率開關；

歷史

1947年12月，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世，是20世紀的一項重大發明，是微電子革命的先聲。晶體管出現后，人們就能用一個小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發明又為后來集成電路的誕生吹響了號角。

電力晶體管

20世紀最初的10年，通信系統已開始應用半導體材料。20世紀上半葉，在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音機，就采用礦石這種半導體材料進行檢波。半導體的電學特性也在電話系統中得到了應用。

晶體管的發明，最早可以追溯到1929年，當時工程師利蓮費爾德就已經取得一種晶體管的專利。但是，限于當時的技術水平，制造這種器件的材料達不到足夠的純度，而使這種晶體管無法制造出來。

由于電子管處理高頻信號的效果不理想，人們就設法改進礦石收音機中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器里，有一根與礦石（半導體）表面相接觸的金屬絲（像頭發一樣細且能形成檢波接點），它既能讓信號電流沿一個方向流動，又能阻止信號電流朝相反方向流動。在第二次世界大戰爆發前夕，貝爾實驗室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時，發現摻有某種極微量雜質的鍺晶體的性能不僅優于礦石晶體，而且在某些方面比電子管整流器還要好。

在第二次世界大戰期間，不少實驗室在有關硅和鍺材料的制造和理論研究方面，也取得了不少成績，這就為晶體管的發明奠定了基礎。

為了克服電子管的局限性，第二次世界大戰結束后，貝爾實驗室加緊了對固體電子器件的基礎研究。肖克萊等人決定集中研究硅、鍺等半導體材料，探討用半導體材料制作放大器件的可能性。

1945年秋天，貝爾實驗室成立了以肖克萊為首的半導體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。布拉頓早在1929年就開始在這個實驗室工作，長期從事半導體的研究，積累了豐富的經驗。他們經過一系列的實驗和觀察，逐步認識到半導體中電流放大效應產生的原因。布拉頓發現，在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細針并通上電流，然后讓另一根細針盡量靠近它，并通上微弱的電流，這樣就會使原來的電流產生很大的變化。微弱電流少量的變化，會對另外的電流產生很大的影響，這就是“放大”作用。

布拉頓等人，還想出有效的辦法，來實現這種放大效應。他們在發射極和基極之間輸入一個弱信號，在集電極和基極之間的輸出端，就放大為一個強信號了。在現代電子產品中，上述晶體三極管的放大效應得到廣泛的應用。

巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數為50左右。不久之后，他們利用兩個靠得很近(相距0.05毫米)的觸須接點，來代替金箔接點，制造了“點接觸型晶體管”。1947年12月，這個世界上最早的實用半導體器件終于問世了，在首次試驗時，它能把音頻信號放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。

在為這種器件命名時，布拉頓想到它的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉移電流來工作的，于是取名為trans-resistor(轉換電阻)，后來縮寫為transistor，中文譯名就是晶體管。

由于點接觸型晶體管制造工藝復雜，致使許多產品出現故障，它還存在噪聲大、在功率大時難于控制、適用范圍窄等缺點。為了克服這些缺點，肖克萊提出了用一種“整流結”來代替金屬半導體接點的大膽設想。半導體研究小組又提出了這種半導體器件的工作原理。

1950年，第一只“PN結型晶體管”問世了，它的性能與肖克萊原來設想的完全一致。今天的晶體管，大部分仍是這種PN結型晶體管。(所謂PN結就是P型和N型的結合處。P型多空穴。N型多電子。)

1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學獎。

(2)監控輔助電源電壓；

(3)限制最大和最小脈沖寬度；

(4)熱保護；

(5)監控開關的飽和壓降。

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