浅析晶体管原理及检测

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1、浅析晶体管原理及检测浅析晶体管原理及检测浅析晶体管原理及检测目录第一章 晶体管1.1 晶体管的特性1.2 晶体管的主要参数1.3 晶体三极管的三种工作状态1.4 晶体管安全工作区第二章 场效应晶体管2.1 场效应晶体管的工作原理2.2 场效应晶体管的特性曲线2.3 MOS 场效应晶体管使用注意事项第三章 晶体管的检测3.1 晶体管材料与极性的判别3.2 晶体管性能的检测3.3 晶体三极管 - 判断好坏简介北京燕东微电子有限公司成立于 1987 年，公司注册资本 2.18 亿元人民币，是一家专业化的半导体器件芯片设计、制造、销售的高科技企业。公司位于北京酒仙桥电子城科技园区，隶属于北京电子控股有

2、限责任公司。燕东公司已在芯片设计制造、塑封器件制造、物业经营等多个方面开展了多方位的产业化经营。 燕东公司拥有3000 平方米高标准的进化厂房，月产 6 英寸半导体硅芯片 1.2 万片，4 英寸半导体硅芯片 3 万片，并配套设有超纯气体净化系统和高纯去离子水制备系统等完善的基础设施。公司现有 10 大门类，200 多个品种的芯片产品提供广大客户选择。 燕东公司的管理团队勇于创新，勤奋敬业，注重科学化的管理，公司目前已通过 ISO9001:2000 质量管理体系认证； ISO14001 环境管理体系认证以及；OHSAS18001 职业健康与安全管理体系认证；2004 年 3 月全公司运行 ERP

3、 管理系统，2004 年 8 月全公司实现 6S管理，并应用 SPC 技术及 FMEA 技术对公司生产过程进行全面的质量控制。燕东公司凭借高品质的产品，及时迅速的供货，明确的市场定位，燕东公司的产品已经获得了良好的市场美誉度。北京燕东微电子有限公司是一家成熟而又充满活力的高新技术企业，致力于微电子产品的研发和生产。多年来，燕东公司练就了一支实力雄厚的技术队伍，为产品品质提供了有力的保障。燕东秉承自强不息、求实创新的企业精神，不断提高企业的核心竞争力，在激烈的市场竞争中保持了企业的可持续快速发展。燕东以“服务社会、回报股东、成就员工”为企业使命，为社会、为股东、为员工做出更大的贡献。摘要：晶体管

4、是现代所有电器的关键活动元件，它被认为是现代历史最伟大的发明之一，在重要性方面可以同印刷术、汽车、电话等相提并论。它是电子技术之树上绽开的一朵绚丽多彩的奇葩，由于它诸多的优越性，被广泛地应用于工农业生产，国防建设及我们的日常生活中，改变着我们的生活质量。 晶体管是一种固体的半导体器件，一般所说的晶体管就是指半导体二极管和三极管，但人们通常将三极管、双极二极管成为晶体管。根据 PN 结结构不同，分为 NPN 型和 PNP 型两种。 本文简要介绍了晶体管的特性，场效应管，及晶体管的检测方法，使其了解晶体管，识别晶体管的好坏，选用合适的晶体管使用。 关键词：特性、主要参数、场效应晶体管、检测 第一章

5、 晶体管1.1 晶体管的特性一、晶体管的结构类型晶体管是由两个 PN 结构成，根据 PN 结连接方法的不同，晶体管分为 NPN 型和 PNP 型两种。晶体管内部有发射区、基区和集电区 3 个区，由 3 个区引出的 3 个电极分别叫做发射极(E)、基极(B)和集电极(C)。两个 PN 结分别叫做发射结和集电结。在晶体管电路符号中，发射极箭头的方向表示发射结正偏时的发射极电流的实际方向，NPN型与 PNP 型发射极电流的方向刚好相反，两者可在应用上形成 互补。晶体管按制作材料的不同，又分为硅晶体管和锗晶体管两种。 图 1 晶体管的结构和图形符号为了使晶体管具有电流放大作用，在其内部结构上还必须满足

6、两个条件： 发射区的掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度较低，基区掺杂浓度最低；基区做得很薄。PNP 型和 NPN 型晶体管的工作原理相同，只是在使用时电源极性联结不同而已，在图中电路符号的箭头均表示电流的实际方向。图 2 晶体管的电流放大作用二、 晶体管的电流关系 晶体管各电极的电压与电流关系，构成晶体管的外部特性。由图 2可知晶体管发射极电流(IE)、集电极电流(IC)和集极电流(IB)三者之间应满足 IE = IC + IB （1-1） 当晶体管工作在放大状态时，集电极电流是基极电流的倍，即叫做晶体管的电流放大系数，一般近似为常数，且晶体管值 不同。下面以 NPN 型晶体管为例来分析晶体管的电流

7、放大原理。为了使晶体管具有电流放大作用，在电路的联结(即外部条件)上必须使发射结加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。将一个 NPN 型晶体管接成如图 3 所示的电路。将 RB 和 EB 接在基极与发射极之间，构成了晶体管的输入回路，EB 的正极接基极，负极接发射极，使发射结正向偏置。将 RC 和 EC 接在集电极与发射极之间构成输出回路，EC 的正极接 RC 后再接集电极，负极接发射极，且 ECEB，所以集电结反向偏置。输入回路与输出回路的公共端是发射极，所以此种联结方式称共射接法。下面分析晶体管内部载流子运动与分配情况(即晶体管的电流放大作用)。(1) 发射区向基区发射电子

8、。由于发射结处于正向偏置，多数载流子的扩散运动加强，发射区的多数载流子(电子)向基区扩散(称为发射)，同样，基区的多数载流子(空穴)也向发射区扩散，但由于发射区的电子浓度远远高于基区的空穴浓度，两者相比较可忽略基区空穴向发射区的扩散(图 3中未画出)。由于两个电源 EB 和 EC 的负极接在发射极，所以发射区向基区发射的电子都可从电源得到补充，这样就形成了发射极电流IE。(2) 电子在基区的扩散与复合。从发射区发射到基区的电子到达基区后，由于靠近发射结附近的电子浓度高于靠近集电结附近的电子浓度，所以这些电子会向集电结附近继续扩散。在扩散过程中，有小部分电子会与基区的空穴复合，由于电源 EB 的

9、正极与基极相接，这些复合掉的空穴均可由EB 补充，因而形成了基极电流 IB。因基区做得很薄，电子在扩散过程中通过基区的时间很短，加上基区的空穴浓度很低，所以从发射区发射到基区的电子在基区继续向集电结附近扩散的过程中，与基区空穴复合的机会很少，因而基极电流 IB 很小，大部分电子都能通过基区而达到集电结附近。(3) 集电区收集电子从而形成集电极电流 IC 。由于集电结处于反向偏置，有利于少数载流子的漂移运动。从发射区发射到基区的电子，一旦到达基区后，就成了基区少数载流子，因而这些扩散到集电结附近的电子很容易被集电区收集而形成集电极电流 IC。从以上分析可知，从发射区发射到基区的电子中，只有很小部

10、分与基区的电子复合而形成基极电流 IB，绝大部分能通过基区并被集电区收集而形成集电极电流 IC，如图 3 所示。因此，集电极电流IC 就会比基极电流 IB 大得多，这就是晶体管的电流放大作用。如前所述，晶体管的基区之所以做得很薄，并且掺杂浓度远低于发射区，就是为了使集电极电流比基极电流大得多，从而实现晶体管的电流放大作用。由基尔霍夫电流定 图 3 晶体管电流放大与分配的实验电路 律可知：IE = IC + IB 。为了定量地说明晶体管的电流放大与分配关系，用图 3 所示的实验电路来测量这三个电流。所得数据如表 1 所示。表 1 晶体管的电流关系表IB/mA00.020.040.060.080.

11、10IC/mA1V 后的输入特性曲线与 UCE =1V 的基本重合，所以，通常只画出 UCE1V的一条输入特性曲线。2输出特性曲线输出特性曲线是在 IB 为某一常数时，输出回路中 IC 与 UCE 的关系曲线，它反映了晶体管输出回路中电压与电流的关系。其函数表达式为(1-3)在不同的 IB 下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线，如图 6 所示。由输出特性曲线可知如下结论。(1) IB 一定时，从发射区发射到基区的电子数目大致是一定的；IB 越大，从发射区发射到基区的电子数目越多，相应的 IC 也越大，这就是晶体管的电流控制与放大作用。(2) 特性曲线的起始部分较陡，即在 U

12、CE 很小时，只要 UCE 略有增加，就会使集电结的内电场得到加强，漂移运动就会迅速增加，使 IC 迅速加大，此时 IC 主要受 UCE 的影响，一旦 UCE 超过一个不大的值(约 1V 左右)后，集电结的内电场已经足够强了，从发射区发射到基区的电子绝大部分已被拉入集电区而形成 IC，即使再加大UCE，IC 也不会有明显的增加，此时的曲线比较平坦，具有恒流特性。(3) 晶体管可以工作在输出特性曲线的三个区域内，如图 6 所示。 输出特性曲线的近于水平部分是放大区。晶体管工作在放大区的主要特征是：发射结正向偏置，集电结反向偏置，IC 与 IB 间具有线性关系，即 IC=IB。在放大电路中的晶体管

13、必须工作在放大区。图 6 晶体管的输出特性曲线 IB=0 的曲线以下的区域称为截止区。晶体管工作在截止区的主要特征是：IB=0，IC=ICEO0(ICEO 称为集电极到发射极间的穿透电流，一般很小，可以忽略不计)，相当于晶体管的三个极之间都处于断开状态。由图 6-5 所示的输入特性曲线可知，要使 IB=0，只要 UBE 小于死区电压(硅管约 0.5 V，锗管约 0.2V)即可。但为了使晶体管可靠截止，往往使发射结反向偏置。集电结也处于反向偏置。 在输出特性曲线的左侧，IC 趋于直线上升的部分，可看做是饱和区。晶体管工作在饱和区的主要特征是：UCEUBE，即集电结为正向偏置，发射结也是正向偏置；

14、IB 的变化对 IC 影响不大，两者不成正比，不符合 。因不同 IB 的各条曲线都几乎重合在一起，此时 IB 对 IC 已失去控制作用。1.2 晶体管的主要参数 晶体管的特性还可用一些参数来表示，这些参数是正确选择与使用晶体管的依据。主要参数有以下几个。1.2.1 电流放大系数 和 (1) ，称为晶体管共射接法时的静态(直流)电流放大系数。(2) ，称为晶体管共射接法时的动态(交流)电流放大系数。(3) 与 两者的含意是不同的，但两者的数值较为接近，今后在进行估算时，可认为 =。1.2.2 穿透电流 ICEOICEO 是指基极开路(IB=0)时，集电极到发射极间的电流。如图7 所示是测量穿透电

15、流的电路。管子的穿透电流越小越好。一般硅管的 ICEO 在几微安以下，锗管为几十微安到几百微安。穿透电流受温度的影响很大，温度升高会使 ICEO 明显增大。并且管子的 值越高，ICEO 也会越大，所以 值大的管子温度稳定性差。图 7 测量穿透电流的电1.2.3 集电极最大允许电流 ICM集电极电流 IC 超过一定值时， 值下降。当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流 ICM。因此，在使用晶体管时，IC 超过 ICM 时，管子虽不至于被烧毁，但 值却下降了许多。1.2.4 集电极-发射极反向击穿电压 U(BR)CEO基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压，称

16、为集电极-发射极反向击穿电压。使用时，加在集电极-发射极间的实际电压应小于此反向击穿电压，以免管子被击穿。1.2.5 集电极最大允许耗散功率 PCM因 IC 在流经集电结时会产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数的变化，严重时导致管子烧毁。因此必须限制管子的耗散功率，在规定结温不超过允许值(锗管为 7090 ，硅管为 150 )时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。可在晶体管输出特性曲线上作出 PCM 曲线，称为功耗线，PCM = ICUCE1.3 晶体三极管的三种工作状态1.3.1 截止状态：当加在三极管发射结的电压小于 PN 结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。1.3.2 放大状态：当加在三极管发射结的电压大于 PN 结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射