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什么是晶体管?晶体管工作原理和主要特性介绍

1300 2022-03-23 来源: IC先生 作者: IC先生

什么是晶体管?晶体管是一种半导体分立器件,可用于传导和绝缘电流或电压。晶体管基本上充当开关和放大器的作用。简单来说,晶体管就一种微型器件,用于控制或调节电子信号的流动。

晶体管是当今大多数电子设备中的关键组件之一。晶体管由三位美国物理学家约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利于1947年开发,被认为是科学史上最重要的发明之一。

晶体管的组成

典型的晶体管由三层半导体材料或更具体地说是有助于连接到外部电路并承载电流的端子组成,施加到晶体管的任何一对端子的电压或电流控制通过另一对端子的电流。

晶体管有三个端子,它们分别是:

基极:用于激活晶体管。

集电极:三极管的正极。

发射极:晶体管的负极。

晶体管

可以看出,晶体管的基本工作原理就是基于通过改变流过第二个通道的非常小的电流的强度来控制流过一个通道的电流。

晶体管的类型

根据在电路中的使用方式,主要有两种类型的晶体管。

1、双极结型晶体管 (BJT)

BJT的三个端子是基极、发射极和集电极。在基极和发射极之间流动的非常小的电流可以控制集电极和发射极端之间的较大电流。

此外,有两种类型的BJT,即PNP晶体管和NPN晶体管。

PNP晶体管:它是一种BJT,其中一种n型材料被引入或放置在两种p型材料之间。在这样的配置中,设备将控制电流的流动。PNP晶体管由2个串联的晶体二极管组成,二极管的右侧和左侧分别称为集电极-基极二极管和发射极-基极二极管。

NPN晶体管:在这个晶体管中,会发现一种p型材料存在于两种n型材料之间。NPN晶体管基本上用于将弱信号放大为强信号。在NPN晶体管中,电子从发射极区移动到集电极区,从而在晶体管中形成电流。这种晶体管在电路中被广泛使用。

PNP晶体管和NPN晶体管


此外,共有三种类型的配置,即共基极 (CB)、共集电极 (CC) 和共发射极 (CE)。

在共基极 (CB) 配置中,晶体管的基极端子在输入和输出端子之间是公共的。

共基极 (CB) 配置

在公共集电极 (CC) 配置中,集电极端子在输入和输出端子之间是公共的。

公共集电极 (CC) 配置

在公共发射极 (CE) 配置中,发射极端子在输入和输出端子之间是公共的。

公共发射极 (CE) 配置

2、场效应晶体管 (FET)

对于FET,三个端子是栅极、源极和漏极。栅极端的电压可以控制源极和漏极之间的电流。FET是一种单极晶体管,其中 N沟道FET或 P沟道FET用于导通。场效应管的主要应用于低噪声放大器、缓冲放大器和模拟开关。

场效应晶体管 (FET)

3、其他类型

除此之外,还有许多其他类型的晶体管,包括MOSFET、JFET、绝缘栅双极晶体管、薄膜晶体管、高电子迁移率晶体管、倒T型场效应晶体管 (ITFET)、快速反向外延二极管场-效应晶体管(FREDFET)、肖特基晶体管、隧道场效应晶体管、有机场效应晶体管(OFET)、扩散晶体管等。

晶体管的工作原理

众所周知, BJT由三个终端(Emitter、Base和Collector)组成。它是一种电流驱动器件,其中一个BJT内存在两个PN结。

一个PN结存在于发射极和基极区之间,第二个结存在于集电极和基极区之间。通过发射极到基极的极少量电流可以控制从发射极到集电极通过器件的相当大的电流量。

在BJT的正常工作中,基极-发射极结为正向偏置,而基极-集电极结为反向偏置。当电流流过基极-发射极结时,电流将流过集电极电路。

为了解释晶体管的工作原理,下面以NPN晶体管为例。PNP晶体管也是使用相同的原理,除了电流载体是空穴并且电压是相反的。

NPN晶体管的工作流程

NPN器件的发射极由n型材料制成,因此多数载流子是电子。当基极-发射极结正向偏置时,电子将从n型区域向p型区域移动,少数载流子空穴向n型区域移动。、

当它们相遇时,它们将结合在一起,使电流流过结。当结反向偏置时,空穴和电子从结移开,现在在两个区域之间形成耗尽区,没有电流流过。

NPN晶体管的操作

当电流在基极和发射极之间流动时,电子将离开发射极并流入基极,如上图所示。通常电子在到达耗尽区时会结合。

但是这个区域的掺杂水平很低,基极也很薄。这意味着大多数电子能够在不与空穴重新结合的情况下穿过该区域。结果,电子将向集电极漂移。

通过这种方式,它们能够流过有效的反向偏置结,并且电流在集电极电路中流动。

晶体管的特性

晶体管的特性是可以表示特定配置中晶体管的电流和电压之间关系的曲线图,目前主要有两种类型的特征。

输入特性:通过保持输出电压恒定,它将为我们提供有关输入电流随输入电压变化而变化的详细信息。
输出特性:通过保持输入电流恒定,输出电流与输出电压的关系曲线。
电流传输:在保持电压恒定的情况下输出电流随输入电流的变化。

1、输入特
CB配置

CB配置

上图表表示发射极电流I E随基极 - 发射极电压V BE的变化,保持集电极电压恒定, V CB。

CC配置

CC配置

上图显示了I B根据V CB的变化,而集电极-发射极电压 V CE保持恒定。

CE设置

CE设置

上图先生通过保持 V CE恒定显示了 I B根据 V BE的变化。、

2、输出特性

CB配置

CB 配置

上图表显示了集电极电流 I C与 V CB的变化,通过保持发射极电流 I E恒定。

CC配置

CC 配置

上图表示保持I B不变, I E的变化与 V CE的变化。

CE设置

CE设置

上图表示通过保持 I B不变,它显示了 I C随 V CE变化的变化。

3、电流传输特性

CB配置

CB配置

上图显示保持V CB为常数,I C随I E的变化。
CC配置

CC配置

上图表示保持 V CE恒定, I E与 I B的变化。

CE设置

CE设置

上图表示通过保持V CE恒定来显示I C与I B的变化。

晶体管的优点

  • 成本更低,体积更小。
  • 较小的机械灵敏度。
  • 低工作电压。
  • 寿命极长。
  • 无功耗。
  • 快速切换。
  • 可以开发效率更高的电路。
  • 用于开发单个集成电路。

晶体管的局限性

  • 缺乏更高的电子迁移率。
  • 当发生电气和热事件时,晶体管很容易损坏。例如,处理过程中的静电放电。
  • 晶体管受到射线和辐射的影响。

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什么是晶体管?晶体管工作原理和主要特性介绍


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