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1、 第五章晶体管第五章晶体管1 1概述概述2 2晶体管的结构和符号晶体管的结构和符号3 3几种特殊的晶体管几种特殊的晶体管 晶体管晶体管2 5.1 5.1 概述概述晶体管（晶体管（transistortransistor）是一种固体半导体器件，可以用）是一种固体半导体器件，可以用于于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其和许多其它功能。它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如关（如Rel
2、ayRelay、switchswitch）不同处在于晶体管是利用电讯号）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达换速度可达100GHz100GHz以上。以上。34567 19471947年年1212月，美国贝尔实验室月，美国贝尔实验室的的肖克利、巴丁和布拉顿肖克利、巴丁和布拉顿组成组成的研究小组，研制出一种点接的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问触型的锗晶体管。晶体管的问世，是世，是2020世纪的一项重大发明，世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声是微电子革命的先声 。 1956 19
3、56年，肖克利、巴丁、布年，肖克利、巴丁、布拉顿三人，因发明晶体管拉顿三人，因发明晶体管 ， 同时荣获诺贝尔物理学奖。同时荣获诺贝尔物理学奖。 5.1.15.1.1晶体管的历史晶体管的历史8晶体管的发展历史晶体管的发展历史晶体管的发展历史晶体管的发展历史STEP 07STEP 07STEP 06STEP 06STEP 05STEP 051978197819781978年，英特尔发布了第一款年，英特尔发布了第一款年，英特尔发布了第一款年，英特尔发布了第一款16161616位处理器位处理器位处理器位处理器8086808680868086，2.92.92.92.9万万万万STEP 04STEP 04
4、2002200220022002年年年年1 1 1 1月：英特尔奔腾月：英特尔奔腾月：英特尔奔腾月：英特尔奔腾4 4 4 4处理器推出，处理器推出，处理器推出，处理器推出，5500550055005500万个万个万个万个 STEP 03STEP 032005200520052005年年年年5 5 5 5月月月月26262626日：英特尔奔腾日：英特尔奔腾日：英特尔奔腾日：英特尔奔腾D D D D处理器含有处理器含有处理器含有处理器含有2.32.32.32.3亿个亿个亿个亿个STEP 02STEP 02英特尔酷睿英特尔酷睿英特尔酷睿英特尔酷睿2 2 2 2双核、四核处理器双核、四核处理器双核、四
5、核处理器双核、四核处理器 5.85.8亿亿STEP 01STEP 0119471947年年1212月月1616日日 晶体管晶体管1953195319531953年：第一个采用晶体管，即助听器年：第一个采用晶体管，即助听器年：第一个采用晶体管，即助听器年：第一个采用晶体管，即助听器。1971197119711971年：英特尔发布了其第一个微处理器年：英特尔发布了其第一个微处理器年：英特尔发布了其第一个微处理器年：英特尔发布了其第一个微处理器4004400440044004 ，20002000多个多个9英特尔酷睿英特尔酷睿英特尔酷睿英特尔酷睿i7i7i7i7处理器处理器处理器处理器10含含3030
6、亿晶体管的亿晶体管的GF110GF110核心核心115.1.25.1.2晶体管替代电子管晶体管替代电子管1219041904年，世界上第一只电子管在年，世界上第一只电子管在英国物理学家英国物理学家弗莱明弗莱明的手下诞生的手下诞生了。弗莱明为此获得了这项发明了。弗莱明为此获得了这项发明的专利权。人类第一只电子管的的专利权。人类第一只电子管的诞生，标志着世界从此进入了电诞生，标志着世界从此进入了电子时代。子时代。 早期应用于电视机、收音机早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中，近年扩音机等电子产品中，近年来逐渐被半导体材料制作的来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代，但放大器和集成电路取
7、代，但目前在一些高保真的音响器目前在一些高保真的音响器材中，仍然使用低噪声、稳材中，仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频定系数高的电子管作为音频功率放大器件功率放大器件 。13由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源的缺点，现在它的用效率低、结构脆弱而且需要高压电源的缺点，现在它的绝大部分用途已经基本被晶体管所取代。但是电子管负载绝大部分用途已经基本被晶体管所取代。但是电子管负载能力强，线性性能优于晶体管，在高频大功率领域的工作能力强，线性性能优于晶体管，在高频大功率领域的工作特性要比晶体管更好
8、，所以仍然在一些地方（如特性要比晶体管更好，所以仍然在一些地方（如大功率无大功率无线电线电发射设备）继续发挥着不可替代的作用。发射设备）继续发挥着不可替代的作用。 14按材料可分为：硅材料晶按材料可分为：硅材料晶体管，锗材料晶体管。体管，锗材料晶体管。按极性可分为：锗按极性可分为：锗NPNNPN型晶型晶体管、锗体管、锗PNPPNP晶体管、硅晶体管、硅NPNNPN型晶体管和硅型晶体管和硅PNPPNP型晶型晶体管。体管。 扩散型晶体管、合金型晶体管扩散型晶体管、合金型晶体管和平面型晶体管。和平面型晶体管。 5.1.35.1.3晶体管的分类晶体管的分类按半导体材料和极性分类按半导体材料和极性分类按结
9、构及制造工艺分类按结构及制造工艺分类15小功率晶体管小功率晶体管中功率晶体管中功率晶体管大功率晶体管大功率晶体管 按电流容量分类按电流容量分类按工作频率分类按工作频率分类低频晶体管低频晶体管高频晶体管高频晶体管超高频晶体管等。超高频晶体管等。 按封装结构分类按封装结构分类金属封装晶体管、金属封装晶体管、塑料封装晶体管、塑料封装晶体管、玻璃壳封装晶体管、玻璃壳封装晶体管、表面封装晶体管表面封装晶体管陶瓷封装晶体管等。陶瓷封装晶体管等。 16低噪声放大晶体管、中高频放大晶体低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带
10、阻达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等光敏晶体管和磁敏晶体管等 。按功能和用途分类按功能和用途分类175.25.2晶体管结构和符号晶体管结构和符号NPN型晶体管ecb符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c基极基极 b发射极发射极 eNNP18PNP型晶体管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN195.2.15.2.1晶体管共发射级特性晶体管共发射级特性1输入特性曲线+-bce共射极
11、放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCEuCE = 0VuBE /VuCE = 0V uCE 1VuBE /V20+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCE2输出特性曲线211直流电流放大系数直流电流放大系数直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，晶体放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，晶体管集电极电流管集电极电流I IC C与基极电流与基极电流I IB B的比值，一般用的比值，一般用hFEhFE或或表示表示。 5.2.25.2.2晶体管的主要参数晶体管的主要参数=（ICICEO）/IBI
12、C / IB222交流电流放大系数交流电流放大系数hFEhFE或或既有区别又关系密切，两个参数值在既有区别又关系密切，两个参数值在低频时较接近，在高频时有一些差异低频时较接近，在高频时有一些差异。 交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数，是指在交流状态下，晶体管集电流放大倍数，是指在交流状态下，晶体管集电极电流变化量极电流变化量I IC C与基极电流变化量与基极电流变化量I IB B的比的比值，一般用值，一般用hfehfe或或表示表示。 = = = = i i i iC C C C/ / / / i i i iB B B B233耗散功率耗散
13、功率通常将耗散功率通常将耗散功率P PCMCM小于小于1W1W的晶体管称为小功率的晶体管称为小功率晶体管，晶体管，P PCMCM等于或大于等于或大于1W1W、小于、小于5W5W的晶体管被的晶体管被称为中功率晶体管，将称为中功率晶体管，将P PCMCM等于或大于等于或大于5W5W的晶体的晶体管称为大功率晶体管。管称为大功率晶体管。 耗散功率也称集电极最大允许耗散功率耗散功率也称集电极最大允许耗散功率P PCMCM，是，是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。集电极耗散功率。 PCM= iCuCE 244特征频率特征频率fT晶体管的工作频率
14、超过截止频率晶体管的工作频率超过截止频率f f或或f f时，时，其电流放大系数其电流放大系数值将随着频率的升高而下值将随着频率的升高而下降。特征频率是指降。特征频率是指值降为值降为1 1时晶体管的工时晶体管的工作频率。作频率。 将特征频率将特征频率f fT T小于或等于小于或等于3MHz3MHz的晶体管称为的晶体管称为低频管，将低频管，将f fT T大于或等于大于或等于30MHz30MHz的晶体管称的晶体管称为高频管，将为高频管，将f fT T大于大于3MHz3MHz、小于、小于30MHz30MHz的晶的晶体管称为中频管。体管称为中频管。 255最高振荡频率最高振荡频率fM最高振荡频率是指晶体
15、管的功率增益降为最高振荡频率是指晶体管的功率增益降为1 1时所时所对应的频率。对应的频率。 通常，高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截通常，高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截止频率止频率ff，而特征频率，而特征频率f fT T则高于共基极截止频率则高于共基极截止频率ff、低于共集电极截止频率、低于共集电极截止频率f f。 266集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极最大电流是指晶体管集电极所允许通过的集电极最大电流是指晶体管集电极所允许通过的最大电流。当晶体管的集电极电流最大电流。当晶体管的集电极电流I IC C超过超过I ICMCM时，时，晶体管的晶体管的值等参数将发生明显变化，影响其正
16、值等参数将发生明显变化，影响其正常工作，甚至还会损坏。常工作，甚至还会损坏。 277最大反向电压最大反向电压最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加的最高工作电压。它包括的最高工作电压。它包括集电极集电极发射极反向发射极反向击穿电压击穿电压、集电极、集电极基极反向击穿电压和发射基极反向击穿电压和发射极极基极反向击穿电压基极反向击穿电压。 288集电极集电极基极之间的反向电流基极之间的反向电流ICBOI ICBOCBO也称集电结反向漏电电流，是指当晶体管也称集电结反向漏电电流，是指当晶体管的发射极开路时，集电极与基极之间的反向电的发射极开路时，集电极与基极
17、之间的反向电流。流。I ICBOCBO对温度较敏感，该值越小，说明晶体对温度较敏感，该值越小，说明晶体管的温度特性越好。管的温度特性越好。 299集电极集电极发射极之间的反向击穿电流发射极之间的反向击穿电流I ICEOCEOI ICEOCEO是指当晶体管的基极开路时，其集电极与发是指当晶体管的基极开路时，其集电极与发射极之间的反向漏电电流，也称击穿电流。此电射极之间的反向漏电电流，也称击穿电流。此电流值越小，说明晶体管的性能越好。流值越小，说明晶体管的性能越好。 305.2.3晶体管的性能测试晶体管的性能测试选用欧姆档的选用欧姆档的R*100R*100（或（或R*1KR*1K）档，先用红表笔接
18、一个管脚，）档，先用红表笔接一个管脚，黑表笔接另一个管脚，可测出两个电阻值，然后再用红表笔黑表笔接另一个管脚，可测出两个电阻值，然后再用红表笔接另一个管脚，重复上述步骤，又测得一组电阻值，这样测接另一个管脚，重复上述步骤，又测得一组电阻值，这样测3 3次，其中有一组两个阻值都很小的，对应测得这组值的红次，其中有一组两个阻值都很小的，对应测得这组值的红表笔接的为基极，且管子是表笔接的为基极，且管子是PNPPNP型的；反之，若用黑表笔接型的；反之，若用黑表笔接一个管脚，重复上述做法，若测得两个阻值都小，对应黑表一个管脚，重复上述做法，若测得两个阻值都小，对应黑表笔为基极，且管子是笔为基极，且管子是
19、NPNNPN型的。型的。 1判别基极和管子的类型判别基极和管子的类型31因为三极管发射极和集电极正确连接时因为三极管发射极和集电极正确连接时大（表针摆动幅度大（表针摆动幅度大），反接时大），反接时就小得多。因此，先假设一个集电极，用欧就小得多。因此，先假设一个集电极，用欧姆档连接，（对姆档连接，（对NPNNPN型管，发射极接黑表笔，集电极接红表型管，发射极接黑表笔，集电极接红表笔）。测量时，用手捏住基极和假设的集电极，两极不能接笔）。测量时，用手捏住基极和假设的集电极，两极不能接触，若指针摆动幅度大，而把两极对调后指针摆动小，则说触，若指针摆动幅度大，而把两极对调后指针摆动小，则说明假设是正确
20、的，从而确定集电极和发射极。明假设是正确的，从而确定集电极和发射极。 2判别集电极判别集电极323电流放大系数电流放大系数的估算的估算 选用欧姆档的选用欧姆档的R*100R*100（或（或R*1KR*1K）档，对）档，对NPNNPN型管，红表笔接发型管，红表笔接发射极，黑表笔接集电极，测量时，只要比较用手捏住基极和射极，黑表笔接集电极，测量时，只要比较用手捏住基极和集电极（两极不能接触），和把手放开两种情况小指针摆动集电极（两极不能接触），和把手放开两种情况小指针摆动的大小，摆动越大，的大小，摆动越大，值越高。值越高。 331光敏晶体管光敏晶体管 光敏晶体管原称光电三极管。光敏晶光敏晶体管原称
21、光电三极管。光敏晶体管是靠光的照射强弱来控制电流的器体管是靠光的照射强弱来控制电流的器件。它可以等效看作一个光敏二极管与件。它可以等效看作一个光敏二极管与一只晶体管的结合，所以它具有放大作一只晶体管的结合，所以它具有放大作用，用，5.25.2几种特殊的晶体管几种特殊的晶体管34 光敏晶体管的检测可从外光敏晶体管的检测可从外观上检查，靠近管键（凸观上检查，靠近管键（凸起）或较长的一个引脚是起）或较长的一个引脚是发射极发射极e e，离管键较远或较，离管键较远或较短的另一引脚是集电极短的另一引脚是集电极c c。352互补、达林顿大功率晶体管互补、达林顿大功率晶体管“达林顿达林顿”是指两个三极管在一起
22、的组合方式，这是指两个三极管在一起的组合方式，这种组合方式有种组合方式有4 4种，种，NPNNPN管和管和NPNNPN管、管、PNPPNP管和管和PNPPNP管、管、NPNNPN管和管和PNPPNP管、管、PNPPNP管和管和NPNNPN管。两只管子组合后的管。两只管子组合后的电流放大倍数等于两只管子的电流放大倍数的乘积。电流放大倍数等于两只管子的电流放大倍数的乘积。顿管不仅能做开关使用，也能做放大用。顿管不仅能做开关使用，也能做放大用。 36晶体管被作为开关元件，工作在饱和和截止状态，晶体管被作为开关元件，工作在饱和和截止状态，相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的闭合和断开。用对应于触点开关的闭合和断开。3开关晶体管开关晶体管3738
