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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。
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
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。