晶體管的結構與工作原理解析

晶體管被認為是現代歷史中最偉大的發明之一，在重要性方面可以與印刷術，汽車和電話等的發明相提并論。晶體管實際上是所有現代電器的關鍵活動(active)元件，并且是最重要的一種半導體器件之一，它的放大作用和開關作用，促使了電子技術的飛躍。它的出現為集成電路、微處理器以及計算機內存的產生奠定了基礎。那么什么晶體管?其又是如何工作的?下面一起來看看：

1.晶體管概念

晶體管(transistor)是一種固體半導體器件(包括二極管、三極管、場效應管、晶閘管等，有時特指雙極型器件)，具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關，能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機械開關(如Relay、switch)不同，晶體管利用電訊號來控制自身的開合，而且開關速度可以非常快，實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

嚴格意義上講，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(二端子)、三極管、場效應管、晶閘管(后三者均為三端子)等。晶體管有時多指晶體三極管。

圖1 晶體管

2.工作原理

圖2中的S是指源極(Source)，D是指漏極(Drain)，G是柵極(Gate)。晶體管的工作原理其實很簡單，就是用兩個狀態表示二進制的“0”和“1”。

源極和漏極之間是溝道(Channel)，當沒有對柵極(G)施加電壓的時候，溝道中不會聚集有效的電荷，源極(S)和漏極(S)之間不會有有效電流產生，晶體管處于關閉狀態。可以把這種關閉的狀態解釋為“0”。

圖2 晶體管關閉狀態

當對柵極(G)施加電壓的時候，溝道中會聚集有效的電荷，形成一條從源極(S)到漏極(D)導通的通道，晶體管處于開啟狀態，如圖3所示，可以把這種狀態解釋為“1”。這樣二進制的兩個狀態就由晶體管的開啟和關閉狀態表示出來了。

圖3 晶體管開啟狀態

3.基本結構

晶體管的基本結構是由兩個PN結構成，按PN結的組成方式分為NPN型和PNP型兩種，如圖1所示。無論NPN還是PNP都有三個區：集電區、基區、發射區。由三個區引現的電極分別稱為集電極、基極、發射極。兩個PN結分別稱為發射結和集電結。

圖4 雙極型晶體管的結構示意圖和圖形符號

晶體管的結構特點：發射區的摻雜濃度最高;集電區摻雜濃度低于發射區，且面積大;基區很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。

4.優越性

同電子管相比，晶體管具有諸多優越性：

4.1構件沒有消耗

無論多么優良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由于技術上的原因，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，稱得起永久性器件的美名。

4.2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干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。

4.3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。開機后，非得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。

4.4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，可用于設計小型、復雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡便，有利于提高元器件的安裝密度。

圖5 晶體管外形

5.選用技巧

(1)用于開關線路，則偏向選用電流比較大，飽和壓降小的管，對管的耐壓要求可適當放寬。因為耐壓和電流是一對互相矛盾的參數，要兩全其美的話必然增加成本。為了能進入飽和狀態，避免出現關不斷的情況，除了選好管之外，對線路偏置很重要。通常在IC保持不變情況下增大IB的電流，或IB保持不變情況下減小IC電流。

(2)用于高壓電路，主要考慮漏電流要小，熱穩定性要好，避免擊穿電壓有軟特性、蠕變情況。最好能加保護電路。

(3)用于普通放大，主要考慮HFE輸出的線性要好，工作區寬，靜態工作點最好選擇HFE的測試條件，即HFE分檔的測試條件。

(4)用于高頻線路，主要考慮是fT參數，而且要跟線路板相匹配，PCB板上的電容、電感都回影響其使用。

(5)用于功率放大，主要考慮其功率的承受范圍，管裝上后管體發熱情況怎樣，周圍環境溫度如何，散熱通風是否良好。PCM=TJM-TA/RT

PC(T)=PCM(TJM-T/TJM-TA)

6.判別與計算

6.1判別基極和類型

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。

6.2判別集電極

因為三極管發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，先假設一個集電極，用歐姆檔連接，(對NPN型管，發射極接黑表筆，集電極接紅表筆)。測量時，用手捏住基極和假設的集電極，兩極不能接觸，若指針擺動幅度大，而把兩極對調后指針擺動小，則說明假設是正確的，從而確定集電極和發射極。

6.3電流放大系數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。

以上就是晶體管的概念、工作原理、結構與優越性介紹了。由于其響應速度快，準確性高，晶體管可用于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的區域，可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分。

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