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三极管基础知识的全面解析

三极管基础知识的全面解析

晶体三极管的结构和类型
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结把正块 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,如图从三个区引出相应的电极,分别为基极b发射极e和集电 极c。
发射区和基区之间的PN结叫发射结,集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄,而发射区较厚,杂质浓度大,PNP型三极管发射区"发射"的是空穴,其 移动方向与电流方向一致,故发射极箭头向里;NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子,其移动方向与电流方向相反,故发射极箭头向外。发射极箭头向外。 发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。

三极管的封装形式和管脚识别
常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类,引脚的排列方式具有一定的规律,如图对于小功率金属封装三极管,按图示底视图位置放置,使三个引脚构成 等腰三角形的顶点上,从左向右依次为e b c;对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己,三个引脚朝下放置,则从左到右依次为e b c。



目前,国内各种类型的晶体三极管有许多种,管脚的排列不尽相同,在使用中不确定管脚排列的三极管,必须进行测量确定各管脚正确的位置,或查找晶体管使用手册,明确三极管的特性及相应的技术参数和资料。

晶体三极管的电流放大作用
晶体三极管具有电流放大作用,其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管基本的和重要的特性。我们将 ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数,用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值,但随着三极管工作时基极电流的变化 也会有一定的改变。

晶体三极管的三种工作状态
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。
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,三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置,这时基极电流对集电极电流起着控制作用,使三极管具有电流放大作用,其电流放大倍数β=ΔIc/ΔIb,这时三极管处放大状态。
饱和导通状态:当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并当基极电流增大到一定程度时,集电极电流不再随着基极电流的增大而增大,而是处于某一定 值附近不怎么变化,这时三极管失去电流放大作用,集电极与发射极之间的电压很小,集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱 和导通状态。
根据三极管工作时各个电极的电位高低,就能判别三极管的工作状态,因此,电子维修人员在维修过程中,经常要拿多用电表测量三极管各脚的电压,从而判别三极管的工作情况和工作状态。

使用多用电表检测三极管
三极管基极的判别:根据三极管的结构示意图,我们知道三极管的基极是三极管中两个PN结的公共极,因此,在判别三极管的基极时,只要找出两个PN结的公共 极,即为三极管的基极。具体方法是将多用电表调至电阻挡的R×1k挡,先用红表笔放在三极管的一只脚上,用黑表笔去碰三极管的另两只脚,如果两次全通,则 红表笔所放的脚就是三极管的基极。如果一次没找到,则红表笔换到三极管的另一个脚,再测两次;如还没找到,则红表笔再换一下,再测两次。如果还没找到,则 改用黑表笔放在三极管的一个脚上,用红表笔去测两次看是否全通,若一次没成功再换。这样多没量12次,总可以找到基极。
三极管类型的判别: 三极管只有两种类型,即PNP型和NPN型。判别时只要知道基极是P型材料还N型材料即可。当用多用电表R×1k挡时,黑表笔代表电源正极,如果黑表笔接 基极时导通,则说明三极管的基P型材料,三极管即为NPN型。如果红表笔接基极导通,则说明三极管基N型材料,三极管即为PNP型。
电子三极管

   在弗莱明为改进无线电检波器而发明二极管的同时,美国物理学博士弗雷斯特也在潜心研究检波器。正当他的研究步步深入时,传来了英国的弗莱明发明成功真空 二极管的消息,使他大受震动。是改弦易辙还是继续下去呢?他想到弗莱明的二极管可用于整流和检波,但还不能放大电信号。于是,德弗雷斯特又 经过两年的研制,终于改进了弗莱明的二极管,作出了新的发明。在二极管的阴极和阳极中间插入第三个具有控制电子运动功能的电极(棚极)。棚极上电压的微弱 信号变化,可以调制从阴极流向阳极的电流,因此可以得到与输入信号变化相同,但强度大大增加的电流。这就是德弗雷斯特发明的三极管的“放大”作用。

1912年,德弗雷斯特又成功地做了几个三极管的连接实验,得到了比单个三极管大得多的放大能力。很快,德弗雷斯特研制出*一个电子放大器用于电话中继 器,放大微弱的电话信号,他是在电话中使用电子产品的*一人。此外,三极管还可振荡产生电磁波,也就是说,所以,国外许多人都将三极管的发明看作是电子工 业真正的诞生。

MOS场效应管

即金属-氧化物-半导体型场效应管,英文缩写为MOSFET(Metal- Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor),属于绝缘栅型。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层,因此具有很高的输入电阻( 高可达1015Ω)。它也分N沟道管和P沟道管,符号如图1所示。通常是将衬底(基板)与源极S接在一起。根据导电方式的不同,MOSFET又分增强型、 耗尽型。所谓增强型是指:当VGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。 耗尽型则是指,当VGS=0时即形成沟道,加上正确的VGS时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。



以 N沟道为例,它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+,再分别引出源极S和漏极D。源极与衬底在内部连通,二者总保持等电位。 图1(a)符号中的前头方向是从外向电,表示从P型材料(衬底)指身N型沟道。当漏接电源正极,源极接电源负极并使VGS=0时,沟道电流(即漏极电 流)ID=0。随着VGS逐渐升高,受栅极正电压的吸引,在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子,形成从漏极到源极的N型沟道,当VGS大于管子的 开启电压VTN(一般约为+2V)时,N沟道管开始导通,形成漏极电流ID。



国产N沟道MOSFET的典型产品有3DO1、3DO2、3DO4(以上均为单栅管),4DO1(双栅管)。它们的管脚排列(底视图)见图2。

MOS 场效应管比较“娇气”。这是由于它的输入电阻很高,而栅-源极间电容又非常小,极易受外界电磁场或静电的感应而带电,而少量电荷就可在极间电容上形成相当 高的电压(U=Q/C),将管子损坏。因此了厂时各管脚都绞合在一起,或装在金属箔内,使G极与S极呈等电位,防止积累静电荷。管子不用时,全部引线也应 短接。在测量时应格外小心,并采取相应的防静电感措施。下面介绍检测方法。

1.准备工作

测量之前,先把人体对地短路后,才能摸触MOSFET的管脚。优秀在手腕上接一条导线与大地连通,使人体与大地保持等电位。再把管脚分开,然后拆掉导线。

2.判定电极

将 万用表拨于R×100档,首先确定栅极。若某脚与其它脚的电阻都是无穷大,证明此脚就是栅极G。交换表笔重测量,S-D之间的电阻值应为几百欧至几千欧, 其中阻值较小的那一次,黑表笔接的为D极,红表笔接的是S极。日本生产的3SK系列产品,S极与管壳接通,据此很容易确定S极。

3.检查放大能力(跨导)

将G极悬空,黑表笔接D极,红表笔接S极,然后用手指触摸G极,表针应有较大的偏转。双栅MOS场效应管有两个栅极G1、G2。为区分之,可用手分别触摸G1、G2极,其中表针向左侧偏转幅度较大的为G2极。

目前有的MOSFET管在G-S极间增加了保护二极管,平时就不需要把各管脚短路了。


VMOS场效应管

VMOS 场效应管(VMOSFET)简称VMOS管或功率场效应管,其全称为V型槽MOS场效应管。它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不 仅继承了MOS场效应管输入阻抗高(≥108W)、驱动电流小(左右0.1μA左右),还具有耐压高(较高可耐压1200V)、工作电流大 (1.5A~100A)、输出功率高(1~250W)、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身,因此在电压 放大器(电压放大倍数可达数千倍)、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。



众所周知,传统的MOS场效应管 的栅极、源极和漏极大大致处于同一水平面的芯片上,其工作电流基本上是沿水平方向流动。VMOS管则不同,从图1上可以看出其两大结构特点:*一,金属栅 极采用V型槽结构;第二,具有垂直导电性。由于漏极是从芯片的背面引出,所以ID不是沿芯片水平流动,而是自重掺杂N+区(源极S)出发,经过P沟道流入 轻掺杂N-漂移区,后垂直向下到达漏极D。电流方向如图中箭头所示,因为流通截面积增大,所以能通过大电流。由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层,因 此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。



国内生产VMOS场效应管的主要厂家有877厂、天津半导体器件四厂、杭州电子管厂等,典型产品有VN401、VN672、VMPT2等。表1列出六种VMOS管的主要参数。其中,IRFPC50的外型如图3所示。

下面介绍检测VMOS管的方法。

1.判定栅极G

将万用表拨至R×1k档分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大,并且交换表笔后仍为无穷大,则证明此脚为G极,因为它和另外两个管脚是绝缘的。

2.判定源极S、漏极D

由图1可见,在源-漏之间有一个PN结,因此根据PN结正、反向电阻存在差异,可识别S极与D极。用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低(一般为几千欧至十几千欧)的一次为正向电阻,此时黑表笔的是S极,红表笔接D极。

3.测量漏-源通态电阻RDS(on)

将G-S极短路,选择万用表的R×1档,黑表笔接S极,红表笔接D极,阻值应为几欧至十几欧。

由于测试条件不同,测出的RDS(on)值比手册中给出的典型值要高一些。例如用500型万用表R×1档实测一只IRFPC50型VMOS管,RDS(on)=3.2W,大于0.58W(典型值)。

4.检查跨导

将万用表置于R×1k(或R×100)档,红表笔接S极,黑表笔接D极,手持螺丝刀去碰触栅极,表针应有明显偏转,偏转愈大,管子的跨导愈高。

注意事项:

(1)VMOS管亦分N沟道管与P沟道管,但绝大多数产品属于N沟道管。对于P沟道管,测量时应交换表笔的位置。

(2)有少数VMOS管在G-S之间并有保护二极管,本检测方法中的1、2项不再适用。

(3)目前市场上还有一种VMOS管功率模块,供应交流电机调速器、逆变器使用。例如美国IR公司生产的IRFT001型模块,内部有N沟道、P沟道管各三只,构成三相桥式结构。

(4)现在市售VNF系列(N沟道)产品,是美国Supertex公司生产的超高频功率场效应管,其较高工作频率fp=120MHz,IDSM=1A,PDM=30W,共源小信号低频跨导gm=2000μS。适用于高速开关电路和广播、通信设备中。

(5)使用VMOS管时必须加合适的散热器后。以VNF306为例,该管子加装140×140×4(mm)的散热器后,*大功率才能达到30W

场效应晶体管

场效应晶体管(FET)简称场效应管,它属于电压控制型半导体器件,具有输入电阻高(108~109Ω)、噪声小、功耗低、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

场 效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管(JFET)因有两个PN结而得名,绝缘栅型场效应管(JGFET)则因栅极与其它电极完*绝缘而得名。目前 在绝缘栅型场效应管中,应用较为广泛的是MOS场效应管,简称MOS管(即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET);此外还有PMOS、NMOS和 VMOS功率场效应管,以及近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。

按沟道半导体材料的不同,结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分,场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。

场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类。见附图1。



MOS场效应晶体管使用注意事项。

MOS场效应晶体管在使用时应注意分类,不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高(包括MOS集成电路)极易被静电击穿,使用时应注意以下规则:

1. MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中,切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起,或用锡纸包装

2.取出的MOS器件不能在塑料板上滑动,应用金属盘来盛放待用器件。

3. 焊接用的电烙铁必须良好接地。

4. 在焊接前应把电路板的电源线与地线短接,再MOS器件焊接完成后在分开。

5. MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。

6.电路板在装机之前,要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子,再把电路板接上去。

7. MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下,优秀接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。

场效应管的测试。

下面以常用的3DJ型N沟道结型场效应管为例解释其测试方法:

3DJ 型结型场效应管可看作一只NPN型的晶体三极管,栅极G对应基极b,漏极D对应集电极c,源极S对应发射极e。所以只要像测量晶体三极管那样测PN结的 正、反向电阻既可。把万用表拨在R*100挡用黑表笔接场效应管其中一个电极,红表笔分别接另外两极,当出现两次低电阻时,黑表笔接的就是场效应管的栅 极。红表笔接的就是漏极或源极。对结型场效应管而言,漏极和源极可以互换。对于有4个管脚的结型场效应管,另外一极是屏蔽极(使用中接地)。

目前常用的结型场效应管和MOS型绝缘栅场效应管的管脚顺序如图2所示。
硅管、锗管的判别

硅管和锗管在特性上有很大不同,使用时应加以区别。我们知道,硅管和锗管的PN结正向电阻是不一样的,即硅管的正向电阻大,锗管的小。利用这一特性就可以用万用表来判别一只晶体管是硅管还是锗管。

判别方法如下:

将万用表拨到R*100挡或R*1K挡。测量二极管时,万用表的正端接二极管的负极,负端接二极管的正极;测量NPN型的三极管时,万用表的负端接基极,正端接集电极或发射极;测量PNP型的三极管时,万用表的正端接基极,负端接集电极或发射极。

按上述方法接好后,如果万用表的表针指示在表盘的右端或靠近满刻度的位置上(即阻值较小),那么所测的管子是锗管;如果万用表的表针在表盘的中间或偏右一点的位置上(即阻值较大),那么所测的管子是硅管。

测判三极管的口诀

三极管的管型及管脚的判别是电子技术初学者的一项基本功,为了帮助读者迅速掌握测判方法,笔者总结出四句口诀:“三颠倒,找基极;PN结,定管型;顺箭头,偏转大;测不准,动嘴巴。”下面让我们逐句进行解释吧。

一、 三颠倒,找基极

大家知道,三极管是含有两个PN结的半导体器件。根据两个PN结连接方式不同,可以分为NPN型和PNP型两种不同导电类型的三极管,图1是它们的电路符号和等效电路。

测试三极管要使用万用电表的欧姆挡,并选择R×100或R×1k挡位。图2绘出了万用电表欧姆挡的等效电路。由图可见,红表笔所连接的是表内电池的负极,黑表笔则连接着表内电池的正极。
假定我们并不知道被测三极管是NPN型还是PNP型,也分不清各管脚是什么电极。测试的*一步是判断哪个管脚是基极。这时,我们任取两个电极(如这两个电 1、2),用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻,观察表针的偏转角度;接着,再取1、3两个电极和2、3两个电极,分别颠倒测量它们的正、反 向电阻,观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测量中,必然有两次测量结果相近:即颠倒测量中表针一次偏转大,一次偏转小;剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏 转角度都很小,这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极(参看图1、图2不难理解它的道理)。

二、 PN结,定管型

找出三极管的基极后,我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型(图1)。将万用表的黑表笔接触基极,红表笔接触另外两个电 极中的任一电极,若表头指针偏转角度很大,则说明被测三极管为NPN型管;若表头指针偏转角度很小,则被测管即为PNP型。

三、 顺箭头,偏转大

找出了基极b,另外两个电极哪个是集电极c,哪个是发射极e呢?这时我们可以用测穿透电流ICEO的方法确定集电极c和发射极e。
(1) 对于NPN型三极管,穿透电流的测量电路如图3所示。根据这个原理,用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec,虽然两次测量中 万用表指针偏转角度都很小,但仔细观察,总会有一次偏转角度稍大,此时电流的流向一定是:黑表笔→c极→b极→e极→红表笔,电流流向正好与三极管符号中 的箭头方向一致(“顺箭头”),所以此时黑表笔所接的一定是集电极c,红表笔所接的一定是发射极e。
(2) 对于PNP型的三极管,道理也类似于NPN型,其电流流向一定是:黑表笔→e极→b极→c极→红表笔,其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致,所以此时黑表笔所接的一定是发射极e,红表笔所接的一定是集电极c。

四、 测不出,动嘴巴

若在“顺箭头,偏转大”的测量过程中,若由于颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时,就要“动嘴巴”了。具体方法是:在“顺箭头,偏转大”的两次测 量中,用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部,用嘴巴含住(或用舌头抵住)基电极b,仍用“顺箭头,偏转大”的判别方法即可区分开集电极c与发射极e。其 中人体起到直流偏置电阻的作用,目的是使效果更加明显。

高频管和低频管的判别

高频管和低频管因其特性和用途不同而一般不能互相代用。

这里介绍如何用万用表来快速判别它高频管与低频管。判别方法为:

首 先用万用表测量三极管发射极的反向电阻,如果是测量PNP型管,万用表的负端接基极,正端接发射极;如果是测量NPN型管,万用表的正端接基极,负端接发 射极。然后用万用表的R*1KΩ挡测量,此时万用表的表针指示的阻值应当很大,一般不超过满刻度值的1/10。再将万用表转换到R*10KΩ挡,如果表针 指示的阻值变化很大,超过满刻度值的1/3,则此管为高频管;反之,如果万用表转换到R*10KΩ挡后,表针指示的阻值变化不大,不超过满刻度值的1 /3,则所测的管子为低频管。




场效应晶体管的好坏的判断。

先 用MF10型万用表R*100KΩ挡(内置有15V电池),把负表笔(黑)接栅极(G),正表笔(红)接源极(S)。给栅、源极之间充电,此时万用表指针 有轻微偏转。再该用万用表R*1Ω挡,将负表笔接漏极(D),正表笔接源极(S),万用表指示值若为几欧姆,则说明场效应管是好的。