晶體三極管的結(jié)構(gòu)和類型

1、晶體三極管的結(jié)構(gòu)和類型晶體三極管，是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié)，兩個PN結(jié)把正塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種，如圖從三個區(qū)引出相應(yīng)的電極，分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的 PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的 PN結(jié)叫集電極?；鶇^(qū)很薄, 而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大，PNP型三極管發(fā)射區(qū)”發(fā)射”的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里；NPN型三極管發(fā)射區(qū)”發(fā)射的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭

2、頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。三極管的封裝形式和管腳識別常用三極管的封裝形式有金屬封裝和塑料封裝兩大類，引腳的排列方式具有一定的規(guī)律，如圖對于小功率金屬封裝三極管，按圖示底視圖位置放置，使三個引腳構(gòu)成等腰三角形的頂點上，從左向右依次為 e b c；對于中小功率塑料三極管按圖使其平面朝向自己，三個 引腳朝下放置，則從左到右依次為e b c。圖2 29常用晶體三極管的外砸及弓f腳排列目前，國內(nèi)各種類型的晶體三極管有許多種， 管腳的排列不盡相同， 在使用中不確定管 腳排列的三極管，必須進行測量確定各管腳正確的位置，

3、或查找晶體管使用手冊，明確三極 管的特性及相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和資料。晶體三極管的電流放大作用晶體三極管具有電流放大作用， 其實質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將 Ic/ 的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號“嚴示。電流放大倍數(shù)對于某一只三極管來說是一個定值，但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。晶體三極管的三種工作狀態(tài)截止狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于 PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極 電流和發(fā)射極電流都為零， 三極管這時失去了電流放大作用， 集電極和發(fā)射極之間相當于開 關(guān)的斷開狀態(tài)，我們稱三極管處于

4、截止狀態(tài)。放大狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并處于某一恰當?shù)闹禃r，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置， 集電結(jié)反向偏置， 這時基極電流對集電極電流起著控制作用， 使 三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數(shù)3= A Ic/ A |b這時三極管處放大狀態(tài)。飽和導(dǎo)通狀態(tài)： 當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于 PN 結(jié)的導(dǎo)通電壓， 并當基極電流增大 到一定程度時， 集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大， 而是處于某一定值附近不怎么 變化， 這時三極管失去電流放大作用， 集電極與發(fā)射極之間的電壓很小， 集電極和發(fā)射極之 間相當于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)我們稱之為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。根據(jù)三極管工作

5、時各個電極的電位高低，就能判別三極管的工作狀態(tài)，因此，電子維 修人員在維修過程中， 經(jīng)常要拿多用電表測量三極管各腳的電壓， 從而判別三極管的工作情 況和工作狀態(tài)。使用多用電表檢測三極管 三極管基極的判別： 根據(jù)三極管的結(jié)構(gòu)示意圖， 我們知道三極管的基極是三極管中兩個PN 結(jié)的公共極，因此，在判別三極管的基極時，只要找出兩個PN 結(jié)的公共極，即為三極管的基極。具體方法是將多用電表調(diào)至電阻擋的RX1k擋，先用紅表筆放在三極管的一只腳上，用黑表筆去碰三極管的另兩只腳， 如果兩次全通， 則紅表筆所放的腳就是三極管的基極。 如果一次沒找到，則紅表筆換到三極管的另一個腳，再測兩次；如還沒找到，則紅表筆再換

6、一下， 再測兩次。如果還沒找到，則改用黑表筆放在三極管的一個腳上，用紅表筆去測兩次 看是否全通，若一次沒成功再換。這樣最多沒量 12次，總可以找到基極。三極管類型的判別：三極管只有兩種類型，即PNP型和NPN型。判別時只要知道基極是P型材料還N型材料即可。當用多用電表RX1k擋時，黑表筆代表電源正極，如果黑表筆接基極時導(dǎo)通， 則說明三極管的基極為P型材料，三極管即為NPN型。如果紅表筆接基極導(dǎo)通，則說明三極管基極為N型材料，三極管即為PNP型。電子三極管在弗萊明為改進無線電檢波器而發(fā)明二極管的同時， 美國物理學(xué)博士弗雷斯特也在潛心研 究檢波器。 正當他的研究步步深入時， 傳來了英國的弗萊明發(fā)明

7、成功真空二極管的消息， 使 他大受震動。 是改弦易轍還是繼續(xù)下去呢？他想到弗萊明的二極管可用于整流和檢波，但還不能放大電信號。于是，德弗雷斯特又 經(jīng)過兩年的研制，終于改進了弗萊明的二極管，作 出了新的發(fā)明。在二極管的陰極和陽極中間插入第三個具有控制電子運動功能的電極（棚 極）。棚極上電壓的微弱信號變化，可以調(diào)制從陰極流向陽極的電流，因此可以得到與輸入 信號變化相同，但強度大大增加的電流。這就是德弗雷斯特發(fā)明的三極管的“放大”作用。1912 年，德弗雷斯特又成功地做了幾個三極管的連接實驗，得到了比單個三極管大得多 的放大能力。 很快， 德弗雷斯特研制出第一個電子放大器用于電話中繼器，放大微弱的電

8、話信號，他是在電話中使用電子產(chǎn)品的第一人。 此外， 三極管還可振蕩產(chǎn)生電磁波， 也就是說， 所以，國外許多人都將三極管的發(fā)明看作是電子工業(yè)真正的誕生。MOS 場效應(yīng)管即金屬 -氧化物 - 半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，英文縮寫為MOSFET （ Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistor ），屬于絕緣柵型。其主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化 硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻（最高可達1015Q）。它也分N溝道管和P溝道管，符號如圖 1 所示。通常是將襯底（基板）與源極 S 接在一起。根據(jù)導(dǎo)電方式的不同， MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增

9、強型是指：當VGS=O時管子是呈截止狀態(tài)，加上正確的VGS后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而增強”了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。耗盡型則是指，當VGS=0時即形成溝道，加上正確的 VGS時，能使多數(shù)載流子流出溝道，因而耗盡”了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截止。以N溝道為例，它是在 P型硅襯底上制成兩個高摻雜濃度的源擴散區(qū)N+和漏擴散區(qū)N+，再分別引出源極 S和漏極D。源極與襯底在內(nèi)部連通，二者總保持等電位。圖1（ a）符號中的前頭方向是從外向電，表示從P型材料（襯底）指身 N型溝道。當漏接電源正極，源極接電源負極并使 VGS=0時，溝道電流（即漏極電流）ID=O。隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，

10、在兩個擴散區(qū)之間就感應(yīng)出帶負電的少數(shù)載流子，形成從漏極到源極的N型溝道，當VGS大于管子的開啟電壓 VTN （一般約為+2V）時，N溝道管開始導(dǎo)通，形 成漏極電流ID。P溝道3D013E04國產(chǎn)N溝道MOSFET的典型產(chǎn)品有 3DO1、3DO2、3DO4 （以上均為單柵管），4D01 （雙 柵管）。它們的管腳排列（底視圖）見圖2。MOS場效應(yīng)管比較 嬌氣”。這是由于它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，極易受外界電磁場或靜電的感應(yīng)而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。因此了廠時各管腳都絞合在一起，或裝在金屬箔內(nèi)，使G極與S極呈等電位，防止積累靜電荷

11、。管子不用時，全部引線也應(yīng)短接。在測量時應(yīng)格外小心，并 采取相應(yīng)的防靜電感措施。下面介紹檢測方法。1.準備工作測量之前，先把人體對地短路后，才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接一條導(dǎo)線與大地連通，使人體與大地保持等電位。再把管腳分開，然后拆掉導(dǎo)線。2 .判定電極將萬用表撥于 RX100檔，首先確定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大，證明此腳 就是柵極G。交換表筆重測量，S-D之間的電阻值應(yīng)為幾百歐至幾千歐，其中阻值較小的那 一次，黑表筆接的為 D極，紅表筆接的是 S極。日本生產(chǎn)的3SK系列產(chǎn)品，S極與管殼接 通，據(jù)此很容易確定 S極。3 檢查放大能力（跨導(dǎo)）將G極懸空，黑表筆接 D極，

12、紅表筆接S極，然后用手指觸摸 G極，表針應(yīng)有較大的 偏轉(zhuǎn)。雙柵MOS場效應(yīng)管有兩個柵極 G1、G2。為區(qū)分之，可用手分別觸摸 G1、G2極， 其中表針向左側(cè)偏轉(zhuǎn)幅度較大的為 G2極。目前有的MOSFET管在G-S極間增加了保護二極管，平時就不需要把各管腳短路了。VMOS場效應(yīng)管VMOS場效應(yīng)管（VMOSFET ）簡稱 VMOS管或功率場效應(yīng)管，其全稱為V型槽MOS場效應(yīng)管。它是繼 MOSFET之后新發(fā)展起來的高效、功率開關(guān)器件。它不僅繼承了MOS場效應(yīng)管輸入阻抗咼（108W）、驅(qū)動電流?。ㄗ笥?0.1（1A左右），還具有耐壓咼（最咼可耐壓 1200V ）、工作電流大（1.5A100A ）、輸出

13、功率高（1250W ）、跨導(dǎo)的線性好、開關(guān)速度 快等優(yōu)良特性。正是由于它將電子管與功率晶體管之優(yōu)點集于一身，因此在電壓放大器（電壓放大倍數(shù)可達數(shù)千倍）、功率放大器、開關(guān)電源和逆變器中正獲得廣泛應(yīng)用。眾所周知，傳統(tǒng)的 MOS場效應(yīng)管的柵極、源極和漏極大大致處于同一水平面的芯片上， 其工作電流基本上是沿水平方向流動。VMOS管則不同，從圖1上可以看出其兩大結(jié)構(gòu)特點:第一，金屬柵極采用 V型槽結(jié)構(gòu)；第二，具有垂直導(dǎo)電性。由于漏極是從芯片的背面引 出，所以ID不是沿芯片水平流動，而是自重摻雜N+區(qū)（源極S）出發(fā)，經(jīng)過P溝道流入輕摻雜N-漂移區(qū)，最后垂直向下到達漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，因為流通截

14、面積增大，所以能通過大電流。由于在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層，因此它仍屬于絕緣柵型MOS場效應(yīng)管。國內(nèi)生產(chǎn)VMOS場效應(yīng)管的主要廠家有 877廠、天津半導(dǎo)體器件四廠、杭州電子管廠等， 典型產(chǎn)品有 VN401、VN672、VMPT2等。表1列出六種 VMOS管的主要參數(shù)。其中，IRFPC50IRFTCSO的外型如圖3所示。下面介紹檢測VMOS管的方法。1 .判定柵極G將萬用表撥至 RX1k檔分別測量三個管腳之間的電阻。若發(fā)現(xiàn)某腳與其字兩腳的電阻均呈無窮大，并且交換表筆后仍為無窮大，則證明此腳為G極，因為它和另外兩個管腳是絕緣的。2 判定源極S、漏極D由圖1可見，在源-漏之間有一個PN結(jié)，因此

15、根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻存在差異，可識別S極與D極。用交換表筆法測兩次電阻，其中電阻值較低(一般為幾千歐至十幾千歐) 的一次為正向電阻，此時黑表筆的是S極，紅表筆接 D極。3 .測量漏-源通態(tài)電阻RDS (on)將G-S極短路，選擇萬用表的 RX1檔，黑表筆接 S極，紅表筆接 D極，阻值應(yīng)為幾歐 至十幾歐。由于測試條件不同，測出的 RDS (on)值比手冊中給出的典型值要高一些。例如用500型萬用表RX1檔實測一只IRFPC50型VMOS管，RDS ( on) =3.2W，大于0.58W (典型值)。4.檢查跨導(dǎo)將萬用表置于RX1k (或RX100)檔，紅表筆接S極，黑表筆接D極，手持螺絲刀去碰

16、觸柵 極，表針應(yīng)有明顯偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)愈大，管子的跨導(dǎo)愈高。注意事項：(1) VMOS管亦分N溝道管與P溝道管，但絕大多數(shù)產(chǎn)品屬于N溝道管。對于P溝道管, 測量時應(yīng)交換表筆的位置。（2）有少數(shù) VMOS 管在 G-S 之間并有保護二極管，本檢測方法中的1、2 項不再適用。（3）目前市場上還有一種 VMOS 管功率模塊，專供交流電機調(diào)速器、逆變器使用。例如美 國 IR 公司生產(chǎn)的 IRFT001 型模塊，內(nèi)部有 N 溝道、 P 溝道管各三只，構(gòu)成三相橋式結(jié)構(gòu)。（ 4）現(xiàn)在市售 VNF 系列（ N 溝道）產(chǎn)品，是美國 Supertex 公司生產(chǎn)的超高頻功率場效應(yīng) 管，其最高工作頻率 fp=120MHz

17、, IDSM=1A , PDM=30W ,共源小信號低頻跨導(dǎo) gm=200QxS 。 適用于高速開關(guān)電路和廣播、通信設(shè)備中。（5）使用VMOS管時必須加合適的散熱器后。以VNF306為例，該管子加裝140 XI40 4（mm）的散熱器后，最大功率才能達到30W場效應(yīng)晶體管 場效應(yīng)晶體管（FET）簡稱場效應(yīng)管，它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電 阻高（108109Q）、噪聲小、功耗低、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼?優(yōu)點，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。場效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型兩大類。結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）因有兩個PN結(jié)而得 名，絕緣柵型場效應(yīng)管（JGFET）則因柵極與其

18、它電極完全絕緣而得名。目前在 絕緣柵型場效應(yīng)管中，應(yīng)用最為廣泛的是 MOS 場效應(yīng)管，簡稱 MOS 管（即金 屬 -氧化物 -半導(dǎo)體場效應(yīng)管 MOSFET） ；此外還有 PMOS、 NMOS 和 VMOS 功 率場效應(yīng)管，以及最近剛問世的 n MOS場效應(yīng)管、VMOS功率模塊等。按溝道半導(dǎo)體材料的不同， 結(jié)型和絕緣柵型各分溝道和 P 溝道兩種。若按導(dǎo)電方 式來劃分， 場效應(yīng)管又可分成耗盡型與增強型。 結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型， 絕緣 柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強型的。場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和 MOS 場效應(yīng)晶體管。而 MOS 場效應(yīng)晶 體管又分為 N 溝耗盡型和增強型； P 溝耗

19、盡型和增強型四大類。見附圖 1 。圖1場效應(yīng)晶體管的分類MOS場效應(yīng)晶體管使用注意事項。MOS場效應(yīng)晶體管在使用時應(yīng)注意分類，不能隨意互換。 MOS場效應(yīng)晶體管由 于輸入阻抗高（包括MOS集成電路）極易被靜電擊穿，使用時應(yīng)注意以下規(guī)則：1. MOS器件出廠時通常裝在黑色的導(dǎo)電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便拿個塑料 袋裝。也可用細銅線把各個引腳連接在一起，或用錫紙包裝2. 取出的MOS器件不能在塑料板上滑動，應(yīng)用金屬盤來盛放待用器件。3. 焊接用的電烙鐵必須良好接地。4. 在焊接前應(yīng)把電路板的電源線與地線短接，再 MOS器件焊接完成后在分開。5. MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機時

20、順序相反。6電路板在裝機之前，要用接地的線夾子去碰一下機器的各接線端子，再把電路 板接上去。7. MOS場效應(yīng)晶體管的柵極在允許條件下，最好接入保護二極管。在檢修電路時應(yīng)注意查證原有的保護二極管是否損壞 場效應(yīng)管的測試。下面以常用的3DJ型N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例解釋其測試方法:3DJ型結(jié)型場效應(yīng)管可看作一只 NPN型的晶體三極管，柵極 G對應(yīng)基極b,漏 極D對應(yīng)集電極c,源極S對應(yīng)發(fā)射極e。所以只要像測量晶體三極管那樣測 PN 結(jié)的正、反向電阻既可。把萬用表撥在 R*100擋用黑表筆接場效應(yīng)管其中一個 電極，紅表筆分別接另外兩極，當出現(xiàn)兩次低電阻時，黑表筆接的就是場效應(yīng)管 的柵極。紅表筆接的就

21、是漏極或源極。 對結(jié)型場效應(yīng)管而言，漏極和源極可以互 換。對于有4個管腳的結(jié)型場效應(yīng)管，另外一極是屏蔽極（使用中接地）。目前常用的結(jié)型場效應(yīng)管和 MOS型絕緣柵場效應(yīng)管的管腳順序如圖2所示。3叮管腳結(jié)型場效應(yīng)背1D4襯底2G絕猱冊場效應(yīng)管場效應(yīng)晶體管的好壞的判斷 先用MF10型萬用表R*100KQ擋（內(nèi)置有15V電池），把負表筆（黑）接?xùn)艠O（G）,正表筆（紅）接源極（S）。給柵、源極之間充電，此時萬用表指針有 輕微偏轉(zhuǎn)。再該用萬用表R*1 Q擋，將負表筆接漏極（D），正表筆接源極（S）， 萬用表指示值若為幾歐姆，則說明場效應(yīng)管是好的。硅管、鍺管的判別硅管和鍺管在特性上有很大不同，使用時應(yīng)加以區(qū)

22、別。我們知道，硅管和鍺管 的PN結(jié)正向電阻是不一樣的，即硅管的正向電阻大，鍺管的小。利用這一特性 就可以用萬用表來判別一只晶體管是硅管還是鍺管。判別方法如下：將萬用表撥到 R*100 擋或 R*1K 擋。測量二極管時，萬用表的正端接二極管的 負極，負端接二極管的正極；測量 NPN 型的三極管時，萬用表的負端接基極， 正端接集電極或發(fā)射極；測量 PNP 型的三極管時，萬用表的正端接基極，負端 接集電極或發(fā)射極。按上述方法接好后，如果萬用表的表針指示在表盤的右端或靠近滿刻度的位置 上（即阻值較?。敲此鶞y的管子是鍺管；如果萬用表的表針在表盤的中間或 偏右一點的位置上（即阻值較大），那么所測的管子

23、是硅管。測判三極管的口訣三極管的管型及管腳的判別是電子技術(shù)初學(xué)者的一項基本功， 為了幫助讀者迅 速掌握測判方法，筆者總結(jié)出四句口訣： “三顛倒，找基極； PN 結(jié)，定管型；順 箭頭，偏轉(zhuǎn)大；測不準，動嘴巴。 ”下面讓我們逐句進行解釋吧。一、 三顛倒，找基極大家知道，三極管是含有兩個 PN 結(jié)的半導(dǎo)體器件。根據(jù)兩個 PN 結(jié)連接方 式不同，可以分為NPN型和PNP型兩種不同導(dǎo)電類型的三極管，圖1是它們的 電路符號和等效電路。測試三極管要使用萬用電表的歐姆擋， 并選擇RX100或RXlk擋位。圖2繪 出了萬用電表歐姆擋的等效電路。 由圖可見，紅表筆所連接的是表內(nèi)電池的負極， 黑表筆則連接著表內(nèi)電池

24、的正極。假定我們并不知道被測三極管是 NPN 型還是 PNP 型，也分不清各管腳是什 么電極。測試的第一步是判斷哪個管腳是基極。這時，我們?nèi)稳蓚€電極 （如這 兩個電極為 1、2），用萬用電表兩支表筆顛倒測量它的正、反向電阻，觀察表針 的偏轉(zhuǎn)角度；接著，再取 1、3兩個電極和 2、3 兩個電極，分別顛倒測量它們的 正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度。在這三次顛倒測量中，必然有兩次測量結(jié) 果相近：即顛倒測量中表針一次偏轉(zhuǎn)大， 一次偏轉(zhuǎn)??； 剩下一次必然是顛倒測量 前后指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，這一次未測的那只管腳就是我們要尋找的基極 （參看 圖 1、圖 2 不難理解它的道理 ）。二、 PN 結(jié)，定管型找出三極管的基極后， 我們就可以根據(jù)基極與另外兩個電極之間 PN 結(jié)的方 向來確定管子的導(dǎo)電類型 （圖 1）。將萬用表的黑表筆接觸基極，紅表筆接觸另外 兩個電極中的任一電極，若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很大，則說明被測三極管為 NPN 型管；若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很小，則被測管即為 PNP型。順箭頭，偏轉(zhuǎn)大找出了基極b,另外兩個電極哪個是集電極c,哪個是發(fā)射極e呢?這時我們 可以用測穿透電流ICEO的方法確定