三極管

    1947年12月23日，美國新澤西州墨累山的貝爾實驗室里，3位科學家——巴丁博士、布菜頓博士和肖克萊博士在緊張而又有條不紊地做著實驗。他們在導體電路中正在進行用半導體晶體把聲音信號放大的實驗。3位科學家驚奇地發現，在他們發明的器件中通過的一部分微量電流，竟然可以控制另一部分流過的大得多的電流，因而產生了放大效應。這個器件，就是在科技史上具有劃時代意義的成果——晶體管。因它是在圣誕節前夕發明的，而且對人們未來的生活發生如此巨大的影響，所以被稱為“獻給世界的圣誕節禮物”。另外這3位科學家因此共同榮獲了1956年諾貝爾物理學獎。

　　晶體管促進并帶來了“固態革命”，進而推動了全球范圍內的半導體電子工業。作為主要部件，它及時、普遍地首先在通訊工具方面得到應用，并產生了巨大的經濟效益。由于晶體管徹底改變了電子線路的結構，集成電路以及大規模集成電路應運而生，這樣制造像高速電子計算機之類的高精密裝置就變成了現實。

    三極管結構簡介

三極管的基本結構是兩個反向連結的PN接面，如圖1所示，可有pnp和npn 兩種組合。三個接出來的端點依序稱為發射極（emitter,E）、基極（base,B）和集電極（collector,C），名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關。圖中也顯示出 npn與pnp三極管的電路符號，發射極特別被標出，箭號所指的極為n型半導體， 和二極體的符號一致。在沒接外加偏壓時，兩個pn接面都會形成耗盡區，將中性的p型區和n型區隔開。

三極管的電特性和兩個pn接面的偏壓有關，工作區間也依偏壓方式來分類，這里 我們先討論最常用的所謂”正向活性區”（forward active），在此區EB極間的pn接 面維持在正向偏壓，而BC極間的pn接面則在反向偏壓，通常用作放大器的三極管 都以此方式偏壓。圖2(a）為一pnp三極管在此偏壓區的示意圖。EB接面的空乏區由于在正向偏壓會變窄，載體看到的位障變小，射極的空穴會注入到基極，基極的電子也會注入到射極；而BC接面的耗盡區則會變寬，載體看到的位障變大， 故本身是不導通的。圖2(b）畫的是沒外加偏壓，和偏壓在正向活性區兩種情形下，空穴和電子的電位能的分布圖。三極管和兩個反向相接的pn二極管有什么差別呢？其間最大的不同部分就在 于三極管的兩個接面相當接近。以上述之偏壓在正向活性區之pnp三極管為例， 射極的空穴注入基極的n型中性區，馬上被多數載體電子包圍遮蔽，然后朝集電極 方向擴散，同時也被電子復合。當沒有被復合的空穴到達BC接面的耗盡區時，會被此區內的電場加速掃入集電極，空穴在集電極中為多數載體，很快藉由漂移電流到達連結外部的歐姆接點，形成集電極電流IC。IC的大小和BC間反向偏壓的大小 關系不大。基極外部僅需提供與注入空穴復合部分的電子流IBrec，與由基極注入 射極的電子流InBE（這部分是三極管作用不需要的部分）。InB E在射極與與電 洞復合，即InB E=IErec。pnp三極管在正向活性區時主要的電流種類可以清楚地 在圖3(a）中看出。

3(a)

射極注入基極的空穴流大小是由EB接面間的正向偏壓大小來控制，和二極體的情形類似，在啟動電壓附近，微小的偏壓變化，即可造成很大的注入電流變化。更精確的說，三極管是利用VEB（或VBE）的變化來控制IC，而且提供之IB遠比IC小。npn三極管的操作原理和pnp三極管是一樣的，只是偏壓方向，電流方 向均相反，電子和空穴的角色互易。pnp三極管是利用VEB控制由射極經基極，入射到集電極的空穴，而npn三極管則是利用VBE控制由射極經基極、入射到集電極的電子。三極管在數字電路中的用途其實就是開關，利用電信號使三極管在正向活性區（或飽和區）與截止區間切換，就開關而言，對應開與關的狀態，就數字電路而言則代表0與1（或1與0）兩個二進位數字。若三極管一直維持偏壓在正向活性區，在射極與基極間微小的電信號（可以是電壓或電流）變化，會造成射極與集電極間電流相對上很大的變化，故可用作信號放大器。

三極管工作原理

 晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而p是加入硼取代硅，產生大量空穴利于導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。　對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結，而集電區與基區形成的PN結稱為集電結，三條引線分別稱為發射極e、基極b和集電極c。　

　　
    當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發射結處于正偏狀態，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時，有意識地使發射區的多數載流子濃度大于基區的，同時基區做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源后，由于發射結正偏，發射區的多數載流子（電子）及基區的多數載流子（空穴）很容易地越過發射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發射極電流了。由于基區很薄，加上集電結的反偏，注入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區的空穴進行復合，被復合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據電流連續性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關系，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--稱為直流放大倍數，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β= △Ic/△Ib。式中β--稱為交流電流放大倍數，由于低頻時β1和β的數值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區分，β值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變為電壓放大作用。

三極管放大時管子內部的工作原理：

1、發射區向基區發射電子

電源Ub經過電阻Rb加在發射結上，發射結正偏，發射區的多數載流子（自由電子）不斷地越過發射結進入基區，形成發射極電流Ie。同時基區多數載流子也向發射區擴散，但由于多數載流子濃度遠低于發射區載流子濃度，可以不考慮這個電流，因此可以認為發射結主要是電子流。

2、基區中電子的擴散與復合

電子進入基區后，先在靠近發射結的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區中向集電結擴散，被集電結電場拉入集電區形成集電極電流Ic。也有很小一部分電子（因為基區很薄）與基區的空穴復合，擴散的電子流與復合電子流之比例決定了三極管的放大能力。　

3、集電區收集電子

由于集電結外加反向電壓很大，這個反向電壓產生的電場力將阻止集電區電子向基區擴散，同時將擴散到集電結附近的電子拉入集電區從而形成集電極主電流Icn。另外集電區的少數載流子（空穴）也會產生漂移運動，流向基區形成反向飽和電流，用Icbo來表示，其數值很小，但對溫度卻異常敏感。主要參數

三極管特征頻率fT

當f= fT時，三極管完全失去電流放大功能。如果工作頻率大于fT，電路將不正常工作。

工作電壓/電流

用這個參數可以指定該管的電壓電流使用范圍。

hFE

電流放大倍數。

VCEO

集電極發射極反向擊穿電壓，表示臨界飽和時的飽和電壓。

PCM

最大允許耗散功率。

封裝形式

指定該管的外觀形狀，如果其它參數都正確，封裝不同將導致組件無法在電路板上實現。

三極管的分類

晶體三極管的種類很多，分類方法也有多種。下面按用途、頻率、功率、材料等進行分類。

（1）按材料和極性分有硅材料的NPN與PNP三極管.鍺材料的NPN與PNP三極管。

（2）按用途分有高、中頻放大管、低頻放大管、低噪聲放大管、光電管、開關管、高反壓管、達林頓管、帶阻尼的三極管等。

（3）按功率分有小功率三極管、中功率三極管、大功率三極管。

（4）按工作頻率分有低頻三極管、高頻三極管和超高頻三極管。

（5）按制作工藝分有平面型三極管、合金型三極管、擴散型三極管。

（6）按外形封裝的不同可分為金屬封裝三極管、玻璃封裝三極管、陶瓷封裝三極管、塑料封裝三極管等。

三極管電極和管型的判別

目測法

一、管型的判別 一般，管型是NPN還是PNP應從管殼上標注的型號來辨別。依照部分標準，三極管型號的第二位（字母），A、C表示PNP管，B、D表示NPN管（A、B表示鍺管（Ge)，C、D表示硅管（Si）），例如：

3AX 為PNP型低頻小功率管（Ge) 3BX 為NPN型低頻小功率管（Ge)

3CG 為PNP型高頻小功率管（Si) 3DG 為NPN型高頻小功率管（Si)

3AD 為PNP型低頻大功率管（Ge) 3DD 為NPN型低頻大功率管（Si)

3CA 為PNP型高頻大功率管（Si) 3DA 為NPN型高頻大功率三級管（Si)

此外有國際流行的9011～9018系列高頻小功率管，除9012和9015為PNP管外，其余均為NPN型管。

二、 管極的判別

常用中小功率三極管有金屬圓殼和塑料封裝（半柱型）等外型。