晶体管分类及应用
摘要
晶体管是现代电子设备制造的基础,广泛出现在现代电子系统中。晶体管为电子领域带来了革命性的变化,使得电子设备体积更小、成本更低、更加高效。本文归纳了晶体管的分类以及各类晶体管在一些场景下的应用。
正文
一、绪论
晶体管是几乎所有现代电子产品中的关键活动组件,被许多人看作20世纪最伟大的发明之一。现代的半导体器件可以被大批量自动化生产,因此每个晶体管的的成本都很低廉。晶体管的低成本,灵活性和可靠性使其成为无处不在的器件。晶体管机电一体化电路已经成为机电设备控制设备来控制机器。相比于机械控制系统,微控制器和计算机程序用于控制系统显得更加便捷。
二、分类
1）按材料
锗晶体管: 1948年锗晶体管出现后,固态电子器件的应用开始。最早在1941年,锗二极管开始取代了电子装置里的真空管。但是锗晶体管有一个重大缺点,易产生热失控。
硅晶体管:硅的电子特性比锗优越,但是所需的纯度高,取代锗晶体管。
化合物半导体砷化镓晶体管:砷化镓拥有一些比硅还要好的电子特性,如高的饱和电子速率及高的电子迁移率。在高速器件中,化合物晶体管是一个不错的选择。用砷化镓制造的化合物晶体管可以达到很高的工作频率,原因在于化合物砷化镓的电子迁移率是单质硅的5倍。
碳化硅晶体管
硅锗合金晶体管：在CMOS工艺方面，SiGe工艺的成本和硅工艺相当，但在异质结技术方面，SiGe工艺的成本比砷化镓工艺还要低。SiGe材料可让异质结双极性晶体管整合进CMOS逻辑集成电路，达成混合信号电路的功能。
石墨烯晶体管等。
2）按结构
BJT、JFET、IGFET (MOSFET)、IGBT等。
3）按电极性
n–p–n及p–n–p（BJT），N沟道及P沟道（FET）。
4）按最大额定功率
低功率晶体管、中功率晶体管及高功率晶体管。
5）按最大工作频率
低频晶体管、中频晶体管、高频晶体管、无线电频率（RF）晶体管、微波频率晶体管。
6）按应用类型
开关晶体管、泛用晶体管、音频晶体管、高压晶体管等。
7）按封装技术
插入式金属封装或塑胶封装、表面黏着技术、球栅阵列封装、功率晶体等。
8）按增益系数
hfe、βF或gm（跨导）等。
三、应用
双极结型晶体管（BJT）
双极性晶体管可放大信号,并应用在功率控制和模拟信号处理等领域。使用双极性晶体管可通过已知的基极-发射极的偏置电压和其温度、电流关系来测量温度。现在人们不断认识到能源问题,而场效应管技术由于功耗更低,在数字集成电路中逐渐成为主流,双极性晶体管的使用相对较少。相比于金属氧化物半导体场效应晶体管,双极性晶体管提供了一定的跨导和输出电阻,在功率控制等方面能力突出,并具有高速和耐久的特性。因此,双极性晶体管仍在模拟电路中占据重要位置,特别是高频应用电路的重要配件。可将MOSFET用BiCMOS技术和双极性
晶体管合并在一块集成电路上,这样就可以充分利用两者的优点。
异质结双极晶体管：频率高，在现代超快和RF电路中很常见。
达林顿晶体管：连接在一起的两个BJT，以提供等于两个晶体管的电流增益的乘积的高电流增益。
功率二极管：通常根据具体的用途连接在特定的端子之间。
IGBT：适用于重型工业应用。
多发射极晶体管：用于晶体管- 晶体管逻辑和集成电流镜。
多基极晶体管：用于在噪声环境中以扩增非常低的电平信号。
场效应晶体管（JFET）
结型场效应管在频率一千赫以下与双极性晶体管相比噪声小得多。在高频时,若源电阻高于约一百千欧姆至一兆欧姆,结型场效应管就更有效。结型场效应管可以被用来做恒流集成二极管或者定值电阻、在低频和高频中用来调节信号电压、在信号强度高的情况下用作混频器以及用作逆向电流低的信号二极管。
浮动栅极晶体管：用于非易失性存储。
离子敏感场效应晶体管（IFSET）：测量溶液中的离子浓度。
电解质- 氧化物- 半导体场效应晶体管（EOSFET）：神经芯片。
结语
晶体管制造和生产技术的进步使得计算机的成本降低并不断普及，使人类社会信息化的脚步加快，节省了大量的人力、物力。今天的许多生产活动都是人类通过各种工具间接完成的。可以说，晶体管的发展进步加快了人类文明的进步。
2N系列功率晶体管技术参数 2N1304GE-N25V0.3A0.15W10MHz 2N1305GE-P30V0.3A0.15W5MHz 2N1307GE-P30V0.3A0.15W B>60 2N1613SI-N75V1A0.8W60MHz 2N1711SI-N75V1A0.8W70MHz 2N109GE-P35V0.15A0.165W 2N1893SI-N120V0.5A0.8W 2N2102SI-N120V1A1W<120MHz 2N2148GE-P60V5A12.5W 2N2165SI-P30V50mA0.15W18MHz 2N2166SI-P15V50mA0.15W10MHz 2N2219A SI-N40V0.8A0.8W250MHz 2N2222A SI-N40V0.8A0.5W300MHz 2N22232xSI-N100V0.5A0.6W>50 2N2223A2xSI-N100V0.5A0.6W>50 2N2243A SI-N120V1A0.8W50MHz 2N2369A SI-N40V0.2A.36W12/18ns 2N2857SI-N30V40mA0.2W>1GHz 2N2894SI-P12V0.2A 1.2W60/90ns 2N2905A SI-P60V0.6A0.6W45/100 2N2906A SI-P60V0.6A0.4W45/100 2N2907A SI-P60V0.6A0.4W45/100 2N2917SI-N45V0.03A>60Mz
2N2926SI-N25V0.1A0.2W300MHz 2N2955GE-P40V0.1A0.15W200MHz 2N3019SI-N140V1A0.8W100MHz 2N3053SI-N60V0.7A5W100MHz 2N3054SI-N90V4A25W3MHz 2N3055SI-N100V15A115W800kHz 2N3055SI-N100V15A115W800kHz 2N3055H SI-N100V15A115W800kHz 2N3251SI-P50V0.2A0.36W 2N3375SI-N40V0.5A11.6W500MHz 2N3439SI-N450V1A10W15MHz 2N3440SI-N300V1A10W15MHz 2N3441SI-N160V3A25W POWER 2N3442SI-N160V10A117W0.8MHz 2N3495SI-P120V0.1A0.6W>150MHz 2N3502SI-P45V0.6A0.7W200MHz 2N3553SI-N65V0.35A7W500MHz 2N3571SI-N30V0.05A0.2W 1.4GHz 2N3583SI-N250/175V2A35W>10MHz 2N3632SI-N40V0.25A23W400MHz 2N3646SI-N40V0.2A0.2W 2N3700SI-N140V1A0.5W200MHz 2N3707SI-N30V0.03A0.36W100MHz 2N3708SI-N30V0.03A0.36W80MHz 2N3716SI-N100V10A150W4MHz
一种三极管开关电路设计 三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示，即为三极管电子开关的基本电路图。由图可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上。 输入电压Vin则控制三极管开关的开启（open）与闭合（closed）动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃胜作于截止（cut off）区。 同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃胜作于饱和区（saturatiON）。 1 三极管开关电路的分析设计 由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特，因此欲使三极管截止，Vin必须低于0.6伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使Vin值低于0.3伏特。（838电子资源）当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极与射极必须短路，就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使Vin达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上，如此则VcE便接近于0，而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下，根据奥姆定律三极管呈饱和时，其集电极电流应该为： 因此，基极电流最少应为：
习题答案 5-2 在图5-98电路中，Ω=k 1R ，V 10=E ，V sin 20t u i ω=，试分别画出输出电压o u 的波形。二极管的正向压降忽略不计。 o (b) o (a) a) b) 图5-98 习题5-2图 解：其输入、输出电压u o 的波形如图所示（图中导通、截止指二极管的状态）。 （a ） （b ） 图7-24 5-5 在图5-101电路中，试分别求出下列情况下输出端F 的电位及流过各元件的电流。（1）V A = +10V ，V B =0V ； （2）V A = +6V ， V B = +5.8； （3）V A =V B = +5V 。二极管的正向压降忽略不计。 F D 题图1.5 图5-101 习题5-5图
解：（1）当V A = +10V ，V B =0V 时，D A 导通、D B 截止，F 9 109V 19 V = ?=+, F 3 9 1mA 910R V I R = ==?，A A F D 33 1091mA 110110V V I --===??，B D 0A I = （2）当V A = +6V ，V B = +5.8V 时，D A 、D B 都导通，根据弥尔曼公式得： 33F 333 6 5.8 110110 5.95V 111110110910V +??==++ ???，F 3 5.590.62mA 910R V I R ===? A A F D 30.41mA 110V V I -==?， B B F D 30.21mA 110 V V I -==? （3）当V A = V B = 5V 时，D A 、D B 都导通， 33 F 333 55 110110 4.74V 111 110110910V +??==++ ??? F 34.740.53mA 910R V I R ===?，A B D D 3 5 4.740.26mA 110I I -===? 5-6 在图5-102中，已知稳压管2CW19的稳定电压U Z =12V ，最大稳定电流I Zmax ＝ 18mA ，稳定电流I Z ＝5mA ，当R L 在2k Ω~1k Ω范围内变化时，限流电阻R 的取值范围应该是多少？ R R V A A Ω k 1k 2D S 题图1.11 U I +题图1.10L 图5-102 习题5-6图 解：Z Lmin Lmax 126A 2U I m R = ==；Z Lmax Lmin 12 12A 1 U I m R === 2012618A mA m R --<；2012125A mA m R --> 得：0.3330.471K R K Ω<<Ω
半导体管特性图示仪的使用和晶体管参数测量 一、实验目的 1、了解半导体特性图示仪的基本原理 2、学习使用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和参数。 二、预习要求 1、阅读本实验的实验原理，了解半导体图示仪的工作原理以及XJ4810 型半导体管图示仪的各旋钮作用。 2、复习晶体二极管、三极管主要参数的定义。 三、实验原理 （一）半导体特性图示仪的基本工作原理 任何一个半导体器件，使用前均应了解其性能，对于晶体三极管，只要知道其输入、输出特性曲线，就不难由曲线求出它的一系列参数，如输入、输出电阻、电流放大倍、漏电流、饱和电压、反向击穿电压等。但如何得到这两组曲线呢？最早是利用图4-1 的伏安法对晶体管进行逐点测试，而后描出曲线，逐点测试法不仅既费时又费力，而而且所得数据不能全面反映被测管的特性，在实际中，广泛采用半导体特性图示仪测量的晶体管输入、输出特性曲线。 图4-1 逐点法测试共射特性曲线的原理线路用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和各种直流参量的基本原理是用图4-2（a）中幅度随时间周期性连续变化的扫描电压UCS代替逐点法中的可调电压EC，用图4-2（b）所示的和扫描电压UCS的周期想对应的阶梯电流iB来代替逐点法中可以逐点改变基极电流的可变电压EB，将晶体管的特性曲线直接显示在示波管的荧光屏上，这样一来，荧光屏上光点位置的坐标便代替了逐点法中电压表和电流表的读数。
1、共射输出特性曲线的显示原理 当显示如图4-3 所示的NPN 型晶体管共发射极输出特性曲线时，图示仪内部和被测晶体管之间的连接方式如图4-4 所示. T是被测晶体管,基极接的是阶梯波信号源,由它产生基极阶梯电流ib 集电极扫描电压UCS直接加到示波器(图示仪中相当于示波器的部分,以下同)的X轴输入端,,经X轴放大器放大到示波管水平偏转板上集电极电流ic经取样电阻R得到与ic成正比的电压,UR=ic,R加到示波器的Y轴输入端,经Y轴放大器放大加到垂直偏转板上.子束的偏转角与偏转板上所加电压的大小成正比,所以荧光屏光点水平方向移动距离代表ic的大小,也就是说,荧光屏平面被模拟成了uce-ic 平面. 图4-4 输出特性曲线显示电路输出特性曲线的显示过程如图4-5 所示 当t=0 时, iB =0 ic=0 UCE =0 两对偏转板上的电压均为零,设此时荧光屏上光点的位置为坐标原点。在0-t1,这段时间内,集电极扫描电压UCS 处于第一个正弦半波周期。
晶体管的特性曲线 晶体管特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线： (1) 直观地分析管子的工作状态 (2) 合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 1.测量晶体管特性的实验线路 图1 共发射极电路 共发射极电路：发射极是输入回路、输出回路的公共端。如图1所示。 2．输入特性曲线 输入特性曲线是指当集-射极电压U CE为常数时，输入电路( 基极电路)中基极电流I B与基-射极电压U BE之间的关系曲线I B = f (U BE)，如图2所示。 图2 3DG100晶体管的输入特性曲线 U CE=0V时，B、E间加正向电压，这时发射结和集电结均为正偏，相当于两个二极管正向并联的特性。 U CE≥1V时，这时集电结反偏，从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到
集电极，只有小部分与空穴复合形成I B。U CE>1V以后，I C增加很少，因此I B 的变化量也很少，可以忽略U CE对I B的影响，即输入特性曲线都重合。 由输入特性曲线可知，和二极管的伏安特性一样，晶体管的输入特性也有一段死区。只有在发射结外接电压大于死区电压时，晶体管才会导通，有电流I B。 晶体管死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。晶体管正常工作时发射结电压：NPN型硅管U BE0.6 ~ 0.7) V PNP型锗管U BE0.2 ~ 0.3) V 3．输出特性曲线 输出特性曲线是指当基极电流I B为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流I C与集-射极电压U CE之间的关系曲线I C = f (U CE)，如图3所示。 变化曲线，所以晶体管的输出特性曲在不同的I B下，可得出不同的I C随U CE 线是一族曲线。下面结合图4共发射极电路来进行分析。 图3 3DG100晶体管的输出特性曲线图4 共发射极电路 晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区 (1) 放大区 在放大区I C=βI B，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。 对NPN 型管而言, 应使U BE> 0, U BC< 0，此时，U CE> U BE。 (2) 截止区I B = 0 的曲线以下的区域称为截止区。 I B = 0 时, I C = I CEO(很小)。(I CEO<0.001mA)。对NPN型硅管，当U BE<0.5V 时, 即已开始截止, 为使晶体管可靠截止, 常使U BE≤0。截止时, 集电结也处于反向偏置(U BC≤ 0),此时, I C≈0, U CE≈U CC。 (3) 饱和区当U CE< U BE时，集电结处于正向偏置(U BC> 0)，晶体管工作于饱和状态。
三极管的工作原理集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#
项目一三极管的工作原理 三极管，全称应为半导体三极管，也称晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器·件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN 和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。下图是各种常用三极管的实物图和符号。 一、三极管的电流放大作用 下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。 二、三极管的偏置电路 三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取）。当基极与发射极之间的电压小于时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基 极上加上一个 合适的电流 （叫做偏置电 流，上图中那 个电阻Rb就 是用来提供这 个电流的，所 以它被叫做基 极偏置电 阻），那么当 一个小信号跟 这个偏置电流 叠加在一起 时，小信号就
三极管常用电路 1.三极管偏置电路_固定偏置电路 如上图为三极管常用电路中的固定偏置电路:Rb的作用是用来控制晶体管的基极电路Ib,Ib称为偏流,Rb称为偏流电阻或偏置电阻.改变Rb的值,就可以改变Ib的大小.图中Rb 固定,称为固定偏置电阻. 这种电路简单,使用元件少,但是由于晶体管的热稳定性差,尽管偏置电阻Rb固定,当温度升高时,晶体管的Iceo急剧增加,使Ie也增加,导致晶体管工作点发生变化.所以只有在温度变化不大,温度稳定性不高的场合才用固定偏置电路 2.三极管偏置电路_电压负反馈偏置电路 如上图为三极管常用电路中的电压负反馈偏置电路:晶体管的基极偏置电阻接于集电极. 这个电路好象与固定偏置电路在形式上没有多大差别,然而正是这一点,恰恰起到了自动补偿工作点漂移的效果.从图中可见,当温度升高时,Ic增大,那么Ic上的压降也要增大,使得Uce下降,通过Rb,必然Ib也随之减小,Ib的减小导致Ic的减小,从而稳定了Ic,保证了
Uce基本不变. 这个过程,称为负反馈过程,这个电路就是电压负反馈偏置电路. 2.三极管偏置电路_分压式电流负反馈偏置电路 如上图为三极管常用电路中的分压式电流负反馈偏置电路:这个电路通过发射极回路串入电阻Re和基极回路由电阻R1,R2的分压关系固定基极电位以稳定工作点,称为分压式电流负反馈偏置电路.下面分析工作点稳定过程. 当温度升高,Iceo增大使Ic增加.Ie也随之增加.这时发射极电阻Re上的压降Ue=Ie*Re 也随之升高.由于基极电位Ub是固定的,晶体管发射结Ube=Ub-Ue,所以Ube必然减小,从而使Ib减小,Ic和Ie也就减小了. 这个过程与电压负反馈类似,都能起到稳定工作点的目的.但是,这个电路的反馈是Ue=Ie*Re,取决于输出电流,与输出电压无关,所以称电流负反馈. 在这个电路中,上,下基极偏置电阻R1,R2的阻值适当小些,使基极电位Ub主要由它们的分压值决定.发射极上的反馈电阻Re越大,负反馈越深,稳定性越好.不过Re太大,在电源电压不变的情况下,会使Uce下降,影响放大,所以Re要选得适当. 如果输入交流信号,也会在Re上引起压降,降低了放大器的放大倍数,为了避免这一点,Re 两端并联了一个电容Ce,起交流旁路作用. 这种电路稳定性好,所以应用很广泛. 一、采用仪表放大器还是差分放大器 尽管仪表放大器和差分放大器有很多共性，但设计过程的第一步应当是选择使用何种类型的放大器。
双极型晶体管 晶体管的极限参数 双极型晶体管（Bipolar Transistor） 由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。同场效应晶体管相比，双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。 晶体管：用不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成了晶体管. 晶体管分类：NPN型管和PNP型管 输入特性曲线：描述了在管压降UCE一定的情况下，基极电流iB与发射结压降uBE之间的关系称为输入伏安特性，可表示为：硅管的开启电压约为0.7V，锗管的开启电压约为0.3V。 输出特性曲线：描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系。可表示为： 双击型晶体管输出特性可分为三个区 ★截止区：发射结和集电结均为反向偏置。IE@0，IC@0，UCE@EC，管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。 ★饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。在饱和区IC不受IB的控制，管子失去放大作用，U CE@0，IC=EC／RC，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。 ★放大区：发射结正偏，集电结反偏。 放大区的特点是： ◆IC受IB的控制，与UCE的大小几乎无关。因此三极管是一个受电流IB控制的电流源。 ◆特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB对集电极电流IC控制能力的大小，间隔越大表示管子电流放大系数b越大。 ◆伏安特性最低的那条线为IB=0，表示基极开路，IC很小，此时的IC就是穿透电流ICEO。 ◆在放大区电流电压关系为：UCE=EC-ICRC, IC=βIB ◆在放大区管子可等效为一个可变直流电阻。 极间反向电流：是少数载流子漂移运动的结果。
2.4 放大电路的组成及工作原理 参考教材：《模拟电子技术基础》孙小子张企民主编西安：西安电子科技大学出版社 一、教学目标及要求 1、通过本次课的教学，使学生了解晶体管组成的基本放大电路的三种类型， 掌握放大电路的组成元器件及各元器件的作用，理解放大电路的工作原理。 2、通过本节课的学习，培养学生定性分析学习意识，使学生掌握理论结合生 活实际的分析能力。 二、教学重点 1、共发射极放大电路的组成元器件及各元器件作用； 2、共发射极放大电路的工作原理。 三、教学难点 1、共发射极放大电路的组成元器件及各元器件作用； 2、共发射极放大电路的工作原理。 四、教学方法及学时 1、讲授法 2、1个学时 五、教学过程 （一）导入新课 同学们，上节课我们已经学习了晶体管内部载流子运动的特性以及由此引起的晶体管的一些外部特性，比如说晶体管的输入输出特性等，在这里，我要强调一下，我们需要把更多的注意力放在关注晶体管的外部特性上，而没有必要细究内部载流子的特点。由晶体管的输出特性，我们知道，当晶体管的外部工作条件不同时，晶体管可以工作在三个不同的区间。分别为：放大区、截止区、饱和区，其中放大区是我们日常生活中较为常用的一种工作区间。大家是否还记得，晶体管工作在放大区时所需要的外部条件是什么吗（发射结正偏，集电结反偏）？这节课，我们将要进入一个晶体管工作在放大区时，在实际生活中应用的新内容学习。 2.4放大器的组成及工作原理 一、放大的概念 放大：利用一定的外部工具，使原物体的形状或大小等一系列属性按一定的比例扩大的过程。日常生活中，利用扩音机放大声音，是电子学中最常见的放大。其原理框图为： 声音声音 扩音器原理框图 由此例子，我们知道，放大器大致可以分为：输入信号、放大电路、直流电源、输出信号等四部分，它主要用于放大小信号，其输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。对放大电路的基本要求:一是信号不失真,二是要放大。
晶体管分类及应用 摘要 晶体管是现代电子设备制造的基础,广泛出现在现代电子系统中。晶体管为电子领域带来了革命性的变化,使得电子设备体积更小、成本更低、更加高效。本文归纳了晶体管的分类以及各类晶体管在一些场景下的应用。 正文 一、绪论 晶体管是几乎所有现代电子产品中的关键活动组件,被许多人看作20世纪最伟大的发明之一。现代的半导体器件可以被大批量自动化生产,因此每个晶体管的的成本都很低廉。晶体管的低成本,灵活性和可靠性使其成为无处不在的器件。晶体管机电一体化电路已经成为机电设备控制设备来控制机器。相比于机械控制系统,微控制器和计算机程序用于控制系统显得更加便捷。 二、分类 1）按材料 锗晶体管: 1948年锗晶体管出现后,固态电子器件的应用开始。最早在1941年,锗二极管开始取代了电子装置里的真空管。但是锗晶体管有一个重大缺点,易产生热失控。 硅晶体管:硅的电子特性比锗优越,但是所需的纯度高,取代锗晶体管。 化合物半导体砷化镓晶体管:砷化镓拥有一些比硅还要好的电子特性,如高的饱和电子速率及高的电子迁移率。在高速器件中,化合物晶体管是一个不错的选择。用砷化镓制造的化合物晶体管可以达到很高的工作频率,原因在于化合物砷化镓的电子迁移率是单质硅的5倍。 碳化硅晶体管
硅锗合金晶体管：在CMOS工艺方面，SiGe工艺的成本和硅工艺相当，但在异质结技术方面，SiGe工艺的成本比砷化镓工艺还要低。SiGe材料可让异质结双极性晶体管整合进CMOS逻辑集成电路，达成混合信号电路的功能。 石墨烯晶体管等。 2）按结构 BJT、JFET、IGFET (MOSFET)、IGBT等。 3）按电极性 n–p–n及p–n–p（BJT），N沟道及P沟道（FET）。 4）按最大额定功率 低功率晶体管、中功率晶体管及高功率晶体管。 5）按最大工作频率 低频晶体管、中频晶体管、高频晶体管、无线电频率（RF）晶体管、微波频率晶体管。 6）按应用类型 开关晶体管、泛用晶体管、音频晶体管、高压晶体管等。 7）按封装技术 插入式金属封装或塑胶封装、表面黏着技术、球栅阵列封装、功率晶体等。 8）按增益系数 hfe、βF或gm（跨导）等。 三、应用 双极结型晶体管（BJT） 双极性晶体管可放大信号,并应用在功率控制和模拟信号处理等领域。使用双极性晶体管可通过已知的基极-发射极的偏置电压和其温度、电流关系来测量温度。现在人们不断认识到能源问题,而场效应管技术由于功耗更低,在数字集成电路中逐渐成为主流,双极性晶体管的使用相对较少。相比于金属氧化物半导体场效应晶体管,双极性晶体管提供了一定的跨导和输出电阻,在功率控制等方面能力突出,并具有高速和耐久的特性。因此,双极性晶体管仍在模拟电路中占据重要位置,特别是高频应用电路的重要配件。可将MOSFET用BiCMOS技术和双极性
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性 场效应管(MOSFET是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的 输入电阻可高达1015W而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。场效应管也称为MOS t,按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽 型两类。下面简单介绍它们的工作原理。 1、增强型绝缘栅场效应管 2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。 在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区, 并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体表面覆盖 一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G 另外在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS f。它的栅极与其他电 极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。 源极s tiffiG m 引纯 ? N旳道增强型场效应管紡拘示胃图低州沟道壇强型场效应管符号 图6-38 N沟道增强型场效应管 场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图6-39(a) 可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0寸，即使加上漏-源电压UDS而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于 反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID - 0。 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS> 0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同 时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子 就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层， 且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称 为反型层，如图6-39(c)所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底
Diode 肖特基二极管 (Schottky Diode) Symbol Para m eter V RRM Peak repetitive reverse voltage 反向重复峰值电压V RWM Working peak reverse voltage 反向工作峰值电压V R DC Blocking Voltage 反向直流电压 V R(RMS)RMS Reverse Voltage 反向电压有效值 I F(AV)Average Rectified Forward Current 正向平均电流 Current 反向电流 I R Reverse I FSM Non-Repetitive Peak Forward Surge Current 正向浪涌电流 Voltage 正向直流电压V F Forward C j Typical Junction Capactiance 结电容 Dissipation 耗散功率P D Power T j Operating Junction Temperature 工作结温 T stg Storage Temperature Range 存储温度 R th(j-a)Thermal Resistance from Junction to Ambient 结到环境的热阻 Pin二极管 (Pin Diode) Symbol Para m eter V R Continuous reverse voltage 反向直流电压 I F Continuous forward current 正向直流电流 voltage 正向电压V F Forward current 反向电流 I R Reverse capacitance 二极管电容 C d diode r d diode forward resistance 二极管正向电阻P tot total power dissipation 总的功率损耗Temperature 结温T j Junction temperature 存储温度T stg storage TVS二极管 (TVS Diode) Symbol Para m eter I PP Maximum reverse peak pulse current 峰值脉冲电流 voltage 钳位电压V C Clampling I R Maximum reverse leakage current 最大反向漏电流 voltage 击穿电压V(BR) Breakdown V RWM Working peak reverse voltage 反向工作峰值电压V F Forward voltage 正向电压 current 正向电流 I F Forward current 测试电流 I T Test
第一节基本三极管开关基本电路设计 三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一 些机械式开关所没有的特点。图1所示，即为三极管电子开关的基本电路图。由下图可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极 管主电流的回路上， Vcc R ID R D 2 图1基本的三极管开关 输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open)与闭合(closed)动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三 极管乃胜作于截止(cut off)区。 同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃胜作于饱和区(saturation)。838 电子一、三极管开关电路的分析设计 由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特，因此欲使三极管截止，Vin必须低于0.6伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使Vin值低于0.3伏特。(838电子资源)当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极与射极必须短路，就像机械 开关的闭合动作一样。欲如此就必须使Vin达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整 个电源电压Vcc均跨在负载电阻上，如此则VcE便接近于0,而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下，根据奥姆定律三极管呈饱和时，其集 电极电流应该为：
实验二、场效应晶体管（FET）特性参数测量 一、实验设备 （1）半导体管特性图示仪(XJ4810A 型)，（2）BJT 晶体管（S9014、S8050、S8550），（3）二极管（1N4001） 二、实验目的 1、熟悉BJT 晶体管特性参数测试原理； 2、掌握使用半导体管特性图示仪测量BJT 晶体管特性参数的方法； 3、学会利用手册的特性参数计算BJT 晶体管的混合π型EM1 模型参数的方法。 三、MOS 晶体管特性参数的测量原理 1、实验仪器 实验仪器为场效应管参数测试仪(BJ2922B)，与测量双极晶体管直流参数相似，但由于所检测的场效应管是电压控制器件，测量中须将输入的基极电流改换为基极电压，这可将基极阶梯选择选用电压档（伏/级）；也可选用电流档（毫安/级），但选用电流档必须在测试台的B-E 间外接一个电阻，将输入电流转换成输入电压。 测量时将场效应管的管脚与双极管脚一一对应，即 G（栅极） B（基极）； S（源极） E（发射极）； D（漏极） C（集电极）。 值得注意的是，测量MOS管时，若没有外接电阻，必须避免阶梯选择直接采用电流档，以防止损坏管子。另外，由于场效应管输入阻抗很高，在栅极上感应出来的电荷很难通过输入电阻泄漏掉，电荷积累会造成电位升高。尤其在极间电容较小的情况下，常常在测试中造成MOS管感应击穿，使管子损坏或指标下降。因而在检测MOS管时，应尽量避免栅极悬空，且源极接地要良好，交流电源插头也最好采用三眼插头，并将地线（E接线柱）与机壳相通。存放时，要将管子三个电极引线短接。 2、参数定义 （1）、输出特性曲线与转移特性曲线 输出特性曲线（IDS－VDS）即漏极特性曲线，它与双极管的输出特性曲线相似，如图2-1所示。在曲线中，工作区可分为三部分： I 是可调电阻区（或称非饱和区）；Ⅱ是饱和区；Ⅲ是击穿区。 转移特性曲线为IDS－VDS之间的关系曲线，它反映了场效应管栅极的控制能力。由于结型场效应晶体管都属于耗尽型，且栅源之间相当于一个二极管，所以当栅压正偏（VGS＞0）并大于 0.5V时，转移特性曲线开始弯曲，如图2-2中正向区域虚线所示。这是由于栅极正偏引起栅电流使输入电阻下降。这时如果外电路无保护措施，易将被测管烧毁，而MOS场效应管因其栅极有SiO2绝缘层，所以即使栅极正偏也不引起栅电流，曲线仍向上升。（2）、跨导(gm) 跨导是漏源电压一定时，栅压微分增量与由此而产生的漏电流微分增量之比。 跨导表征栅电压对漏电流的控制能力，是衡量场效应管放大作用的重要参数，类似于双极管的电流放大系数，测量方法也很相似。 跨导常以栅压变化1V时漏电流变化多少微安或毫安表示。它的单位是西门子，用S表示，1S=1A/V。或用欧姆的倒数“姆欧”表示，记作“ -1 ”。 （3）、夹断电压VP和开启电压VT 夹断电压VP是对耗尽型管而言，它表示在一定漏源电压VDS下，漏极电流减小到接近于零（或等于某一规定数值，如50μA）时的栅源电压。 开启电压VT是对增强型管而言。它表示在一定漏源电压VDS下，开始有漏电流时对应的栅
双极型三极管及其在生活中的应用 一、双极型三极管的介绍 1、 类型与结构 双极型三极管（Bipolar Junction Transistor, BJT ）称为半导体三极管、晶体半导体等，是一种重要的三端子电子器件。它是由贝尔实验室（Bell Laboratory ）的一个研究团队在1947年发明的。虽然如今MOSFET 已经成为应用最广泛的电子器件，但是BJT 仍然在汽车电子仪器、无线系统频射电路等领域具有一定的优越性。 双极型三极管（BJT ）是一种电流控制器件。它由两个背 靠背PN 结构成，是具有电流放大作用的晶体三极管，。它有三 个电极，每个电极伸出一个引脚，由电子和空穴同时参与导电。 BJT 常见的晶体管外形如右图所示。 双极型三极管按材料可分为 锗半导体三极管和硅半导体三极 管，在这两种三极管中又可按结构可分为：NPN 型管和PNP 型管。 由于电子的迁移率比空穴的高， NPN 型BJT 应用的空间相较于PNP 型BJT 更广泛。此外，双极 型三极管按功率耗散能力大小可分为小功率管、中功率管、大功 率管；按工作频率的高低可分为低频管、高频管、微波管；按制造工艺又可分为合金管、合金扩散管、台式管、外延平面管。 在一个硅片或锗片上生成三个半导体区域：一个P 区夹在两个N 区中间的称为NPN 型管；一个N 区夹在两个P 区之间的称为PNP 型管。它们的电路符号和结构图如下图所示。 （双极型晶体管外形图） PNP 管（3Axx ） 双极型晶体管 锗管 硅管 NPN 管（3Bxx ） PNP 管（3Cxx ） NPN 管（3Dxx ） （双极型三极管分类图） （NPN 型管的结构模型图） （A 为NPN 晶体管、B 为PNP 晶体管）
电路图中的放大电路 能够把微弱的信号放大的电路叫做放大电路或放大器。例如助听器里的关键部件就是一个放大器。 一、放大电路的用途和组成 放大器有交流放大器和直流放大器。交流放大器又可按频率分为低频、中频和高频：按输出信号强弱分成电压放大、功率放大等。此外还有用集成运算放大器和特殊晶体管作器件的放大器。它是电子电路中最复杂多变的电路。但初学者经常遇到的也只是少数几种较典型的放大电路。 读放大电路图时也还是按照“逐级分解、抓住关键、细致分析、全面综合”的原则和步骤进行。首先把整个放大电路按输入、输出逐级分开，然后逐级抓住关键进行分析弄通原理。放大电路有它本身的特点：一是有静态和动态两种工作状态，所以有时往往要画出它的直流通路和交流通路才能进行分析，二是电路往往加有负反馈，这种反馈有时在本级内，有时是从后级反馈到前级，所以在分析这一级时还要能“瞻前顾后”。在弄通每一级的原理之后就可以把整个电路串通起来进行全面综合。 下面我们介绍几种常见的放大电路。 低频电压放大器低频电压放大器是指工作频率在20赫～20千赫之间、输出要求有一定电压值而不要求很强的电流的放大器。 (1)共发射极放大电路 图1(a)是共发射极放大电路。C1是输入电容，C2是输出电容，三极管VT就是起放大作用的器件，RB是基极偏置电阻，RC是集电极负载电阻。1、3端是输入，2、3端是输出。3端是公共点，通常是接地的，也称“地”端．静态时的直流通路见图1(b)，动态时交流通路见图1(c)。电路的特点是电压放大倍数从十几到一百多，输出电压的相位拥输入
电压是相反的，性能不够稳定，可用于一般场合。 (2)分压式偏置共发射极放大电路 图2比图1多用3个元件。基极电压是由RBl和RB2分压取得的，所以称为分压偏置。发射极中增加电阻RE和电容CE，CE称交流旁路电容，对交流是短路的，RE则有直流负反馈作用。所谓反馈是指把输出的变化通过某种方式送到输入端，作为输入的一部分。如果送回部分和原来的输入部分是相减的，就是负反馈。图中基极真正的输入电压是RB2上电压和RE上电压的差值，所以是负反馈。由于采取了上面两个措施，使电路工作稳定性能提高，是应用最广的放大电路。 (3)射极输出器 图3(a)是一个射极输出器。它的输出电压是从射极输出的。图3(b)是它的交流通路图，可以看到它是共集电极放大电路。这个图中，晶体管真正的输入是Vl和V。的差值，所以这是一个交流负反馈很深的电路，由于很深的负反馈，这个电路的特点是：电压放大倍数小于1而接近1，输出电压和输入电压同相输入阻抗高输出阻抗低，失真小，频带宽，
第二章常用半导体器件及应用 一、习题 2.1填空 1. 半导材料有三个特性，它们是、、。 2. 在本征半导体中加入元素可形成N型半导体，加入元素可形成P型半导体。 3. 二极管的主要特性是。 4．在常温下，硅二极管的门限电压约为V，导通后的正向压降约为V；锗二极管的门限电压约为V，导通后的正向压降约为V。 5．在常温下，发光二极管的正向导通电压约为V，考虑发光二极管的发光亮度和寿命，其工作电流一般控制在mA。 6. 晶体管(BJT)是一种控制器件；场效应管是一种控制器件。 7. 晶体管按结构分有和两种类型。 8. 晶体管按材料分有和两种类型。 9. NPN和PNP晶体管的主要区别是电压和电流的不同。 10. 晶体管实现放大作用的外部条件是发射结、集电结。 11. 从晶体管的输出特性曲线来看，它的三个工作区域分别是、、。 12. 晶体管放大电路有三种组态、、。 13. 有两个放大倍数相同，输入电阻和输出电阻不同的放大电路A和B，对同一个具有内阻的信号源电压进行放大。在负载开路的条件下，测得A放大器的输出电压小，这说明A 的输入电阻。 14．三极管的交流等效输入电阻随变化。 15．共集电极放大电路的输入电阻很，输出电阻很。 16．射极跟随器的三个主要特点是、、。 17．放大器的静态工作点由它的决定，而放大器的增益、输入电阻、输出电阻等由它的决定。 18．图解法适合于，而等效电路法则适合于。 19．在单级共射极放大电路中，如果输入为正弦波，用示波器观察u o和u i的波形的相位关系为；当为共集电极电路时，则u o和u i的相位关系为。 20. 在NPN共射极放大电路中，其输出电压的波形底部被削掉，称为失真，原因是Q点(太高或太低)，若输出电压的波形顶部被削掉，称为失真，原因是Q 点(太高或太低)。如果其输出电压的波形顶部底都被削掉，原因是。 21．某三极管处于放大状态，三个电极A、B、C的电位分别为9V、2V和1.4V，则该三极管属于型，由半导体材料制成。 22．在题图P2.1电路中，某一元件参数变化时，将U CEQ的变化情况(增加；减小；不变)填入相应的空格内。 (1) R b增加时，U CEQ将。 (2) R c减小时，U CEQ将。 (3) R c增加时，U CEQ将。 (4) R s增加时，U CEQ将。 (5) β增加时(换管子)，U CEQ将。
如何理解晶体管的三种基本特性 电子线路中晶体三极管是一个核心知识点，对三极管的认识程度直接影响对电路的理解和应用。而对一个初学者来说，晶体三极管的基本特性又是一个学习的难点，因为三极管的工作原理十分复杂，涉及半导体微观层面的诸多概念与因素。如何有效地理解三极管的基本工作原理，是电子线路入门的一个必须解决的问题。 替换理解是对复杂整体认识的一个有效方法。所谓替换理解，是指用我们熟知的现象去理解我们难以根本认识的内容。例如光在镜面上的反射是一个十分复杂的问题，而且我们很难从微观的角度来认识它，牛顿则将光想象成由若干弹性小球组成，并将这些弹性小球叫做“光子”，于是光的反射就可以理解为弹性小球撞击到平面后被反弹回去，从而从一个方面解释了光在镜面上的反射。虽然光子并非弹性小球，但这光的反射这个现象中，这样理解却是合理的，这就是替换理解。 一．三极管的水流模型与三端电流的关系 在三极管基本特性的理解中，我们也可以用这样的方式来理解。为了详细地说明这一问题，我们先做一个小装置： 我们先用一根直径大一点的水管，我们把它叫做主管，在它的中央横断地开一个槽，但不要锯断它，并在这个槽中嵌入一块厚度与槽宽相等的闸板，即闸板，如图1所示： 图1 带有闸板的水管（剖面） 这样一来就形成了一个阀：将闸板推进去，阀就关小，推到底后阀就关死了；将闸板拉出来阀就开大，拉得越多就开得越大，全部拉出来后阀就完全打开了。我们将这根水管的上端（入水口）叫做“集电极”，用“C”表示，而将管的下端（出水口）叫做“发射极”，用“E”表示。 下面我们再找一根直径较小的水管，我们且叫它做支管，将它弯曲后焊在主管上，
如图2所示： 图2 增加一根小管（剖面） 显然，从支管也可以注入水，这些水也会从主管的下端流出，如果我们将支管的入口叫做“基极”，用“B ”来表示，应可以得出结论：E 端流出的水是C 端和B 端注入水的总和，如果我们用“I ”来表示水流，即为： B C E I I I += 下面我们再做一点复杂一些装置在上面：我们在支管上做一个水车，如果支管有水流I B 流过，水车就会逆时针旋转。我们再在水车的轴上固定上一根细绳，当水车旋转时就会将细绳缠绕在轴上，同时在细绳的另一头形成拉力。如果将细绳的另一头拴在闸板上，水车的转动就会将闸板拉出来，从而将阀打开。为了保证在没有水时阀是关闭的，可以用两根弹簧将闸板压进管槽内，如图3所示。