2022年2022年晶体管简介 .pdf

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1、晶体管简介一、定义：严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。晶体管主要分为两大类：双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。晶体管有三个极；双极性晶体管的三个极，分别由 N型跟 P型组成发射极（Emitter）、基极(Base)和集电极（Collector）;场效应晶体管的三个极，分别是源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）。晶体管因为有三种极性，所以也有三种的使用方式，分别是发射极接地（又称共射放大、CE组态）、基极接地（又称共基放大、CB组态）和集电极接地（又称

2、共集放大、CC组态、发射极随耦器）。二、历史：1947 年 12 月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20 世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。通信系统已开始应用半导体材料。20 世纪上半叶，在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音机，就采用矿石这种半导体材料进行检波。半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。晶体管的发明，最早可以追溯到1929 年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的

3、专利。但是，限于当时的技术水平，制造这种器件的材料达不到足够的纯度，而使这种晶体管无法制造出来。由于电子管处理高频信号的效果不理想，人们就设法改进矿石收音机中所用的矿石触须式检波器。在这种检波器里，有一根与矿石（半导体）表面相接触的金属丝（像头发一样细且能形成检波接点），它既能让信号电流沿一个方向流动，又能阻止信号电流朝相反方向流动。在第二次世界大战爆发前夕，贝尔实验室在寻找比早期使用的方铅矿晶体性能更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能不仅优于矿石晶体，而且在某些方面比电子管整流器还要好。在第二次世界大战期间，不少实验室在有关硅和锗材料的制造和理论研究方面，也取得了不少成绩，

4、这就为晶体管的发明奠定了基础。为了克服电子管的局限性，第二次世界大战结束后，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。1945 年秋天，贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、巴丁等人。布拉顿早在1929 年就开始在这个实验室工作，长期从事半导体的研究，积累了丰富的经验。他们经过一系列的实验和观察，逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。布拉顿发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -量靠近

5、它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很大的影响，这就是“放大”作用。布拉顿等人，还想出有效的办法，来实现这种放大效应。他们在发射极和基极之间输入一个弱信号，在集电极和基极之间的输出端，就放大为一个强信号了。在现代电子产品中，上述晶体三极管的放大效应得到广泛的应用。巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50 左右。不久之后，他们利用两个靠得很近(相距 0.05 毫米)的触须接点，来代替金箔接点，制造了“点接触型晶体管”。1947年 12 月，这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了，在首次试验时，它能把音频信号放大 100 倍，它的

6、外形比火柴棍短，但要粗一些。在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电阻变换特性，即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的，于是取名为trans-resister(转换电阻)，后来缩写为 transistor，中文译名就是晶体管。由于点接触型晶体管制造工艺复杂，致使许多产品出现故障，它还存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄等缺点。为了克服这些缺点，肖克莱提出了用一种“整流结”来代替金属半导体接点的大胆设想。半导体研究小组又提出了这种半导体器件的工作原理。1950 年，第一只“PN 结型晶体管”问世了，它的性能与肖克莱原来设想的完全一致。今天的晶体管，大部分仍是这种PN结型

7、晶体管。(所谓 PN结就是 P型和 N型的结合处，P型多空穴，N型多电子。)1956 年，肖克利、巴丁、布拉顿三人，因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。1947 年 12 月 16 日：威廉邵克雷（William Shockley）、约翰巴顿（John Bardeen）、沃特布拉顿（Walter Brattain）成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。1950 年：威廉邵克雷开发出双极晶体管（Bipolar Junction Transistor），这是现在通行的标准的晶体管。1953 年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。1954 年 10 月 18 日：第一台晶体管收音机Re

8、gency TR1 投入市场，仅包含4 只锗晶体管。1961 年 4 月 25 日：第一个集成电路专利被授予罗伯特诺伊斯（Robert Noyce）。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。1965 年：摩尔定律诞生。当时，戈登摩尔（Gordon Moore）预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每18 个月翻一倍(至今依然基本适用)，摩尔定律在Electronics Magazine 杂志一篇文章中公布。1968 年 7 月：罗伯特诺伊斯和戈登摩尔从仙童（Fairchild）半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“

9、集成电子设备（integrated electronics）”的缩写。1969 年：英特尔成功开发出第一个PMOS 硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -1971 年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004 规格为 1/8 英寸 x 1/16英寸，包含仅 2000 多个晶体管，采用英特尔10 微米 PMOS 技术生产。1972 年，英特尔发布了第一个8 位处理器8008。1978 年，英特尔发布了第一款16 位处理器8086。含有 2.9 万个晶体管。1978 年：英特

10、尔标志性地把英特尔8088 微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了 IBM 新产品 IBM PC的中枢大脑。16 位 8088 处理器为8086 的改进版，含有2.9 万个晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和 10MHz。8088 的成功推动英特尔进入了财富(Forture)500强企业排名，财富(Forture)杂志将英特尔公司评为“70年代商业奇迹之一（Business Triumphs of the Seventies）”。1982 年：286 微处理器(全称 80286，意为“第二代8086”)推出，提出了指令集概念，即现在的x86 指令集，可运行为英特尔前一代产品所编写的所

11、有软件。286 处理器使用了13400 个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和 12.5MHz。1985 年：英特尔386 微处理器问世，含有27.5 万个晶体管，是最初4004 晶体管数量的 100 多倍。386 是 32 位芯片，具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。1993 年：英特尔奔腾处理器问世，含有3 百万个晶体管，采用英特尔0.8 微米制程技术生产。1999 年 2 月：英特尔发布了奔腾III处理器。奔腾III是 1x1 正方形硅，含有950万个晶体管，采用英特尔0.25 微米制程技术生产。2002 年 1 月：英特尔奔腾4 处理器推出，高性能桌面台式电

12、脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13 微米制程技术生产，含有5500 万个晶体管。2002 年 8 月 13 日：英特尔透露了90 纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k 介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。2003 年 3 月 12 日：针对笔记本的英特尔迅驰移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔 0.13 微米制程技术生产，包含7700 万个晶体管。2005 年 5 月 26 日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有

13、2.3 亿个晶体管，采用英特尔领先的90 纳米制程技术生产。2006 年 7 月 18 日：英特尔安腾2 双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含有2.7 亿个晶体管。该处理器采用英特尔90 纳米制程技术生产。2006 年 7 月 27 日：英特尔酷睿2 双核处理器诞生。该处理器含有2.9 亿多个晶体管，采用英特尔65 纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。2006 年 9 月 26 日：英特尔宣布，超过15 种 45 纳米制程产品正在开发，面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔酷睿微体系架构派生而出。2007 年 1 月 8 日：为扩大四核PC向主流买家

14、的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65 纳米制程英特尔酷睿2 四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔酷睿2 四核处理器含有5.8 亿多个晶体管。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -2007 年 1 月 29 日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k 栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器英特尔酷睿2 双核、英特尔酷睿2 四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45 纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代码Penryn。2010 年 11 月，NVIDIA 发布全新的GF110核心，含 30 亿个晶体

15、管，采用先进的40 纳米工艺制造。2011 年 05 月 05 日：英特尔成功开发世界首个3D晶体管，称为tri-Gate。除了英特尔将 3D晶体管应用于22 纳米工艺之后，三星，GlobalFoundries，台积电和台联电都计划将类似于Intel的 3D晶体管技术应用到14 纳米节点上。三、优越性：同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：构件没有消耗无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因，晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100 到 1000 倍，称得起永久性器件的美名。消耗电能极少仅为电子

16、管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。不需预热一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。结实可靠比电子管可靠100 倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度

17、。四、分类：1、材料按晶体管使用的半导体材料可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管。按晶体管的极性可分为锗 NPN型晶体管、锗PNP晶体管、硅NPN型晶体管和硅PNP型晶体管。2、工艺晶体管按其结构及制造工艺可分为扩散型晶体管、合金型晶体管和平面型晶体管。3、电流容量晶体管按电流容量可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。4、工作频率晶体管按工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管等。5、封装结构名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -晶体管按封装结构可分为金属封装（简称金封）晶体管、塑料封装（简称塑封）晶体管、玻璃壳封装（简称玻封）晶体管、表面封装

18、（片状）晶体管和陶瓷封装晶体管等。其封装外形多种多样。6、按功能和用途晶体管按功能和用途可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等多种类型。五、主要参数：晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。放大系数直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，晶体管集电极电流IC 与基极电流IB 的比值，一般用hFE或 表示。交流放大倍数交流放大倍数，也即交流电流放大系数、动态电流放大系数，是指在交流状

19、态下，晶体管集电极电流变化量IC与基极电流变化量 IB的比值，一般用hfe 或 表示。hFE或 既有区别又关系密切，两个参数值在低频时较接近，在高频时有一些差异。耗散功率耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM，是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。晶体管在使用时，其实际功耗不允许超过PCM 值，否则会造成晶体管因过载而损坏。通常将耗散功率PCM 小于 1W的晶体管称为小功率晶体管，PCM 等于或大于1W、小于 5W的晶体管被称为中功率晶体管，将PCM 等于或大于5W的晶体管称为大功率晶体管。特征频率fT 晶体管的工

20、作频率超过截止频率f 或 f 时，其电流放大系数 值将随着频率的升高而下降。特征频率是指 值降为 1 时晶体管的工作频率。通常将特征频率fT 小于或等于3MHZ的晶体管称为低频管，将 fT 大于或等于30MHZ的晶体管称为高频管，将fT 大于 3MHZ、小于 30MHZ 的晶体管称为中频管。最高振荡频率fM 最高振荡频率是指晶体管的功率增益降为1 时所对应的频率。通常，高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截止频率f，而特征频率fT 则高于共基极截止频率f、低于共集电极截止频率f。集电极最大电流集电极最大电流（ICM）是指晶体管集电极所允许通过的最大电流。当晶体管的集电极电流 IC 超过 ICM时

21、，晶体管的 值等参数将发生明显变化，影响其正常工作，甚至还会损坏。最大反向电压名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加的最高工作电压。它包括集电极发射极反向击穿电压、集电极基极反向击穿电压和发射极基极反向击穿电压。集电极集电极反向击穿电压该电压是指当晶体管基极开路时，其集电极与发射极之间的最大允许反向电压，一般用 VCEO 或 BVCEO 表示。基极基极反向击穿电压该电压是指当晶体管发射极开路时，其集电极与基极之间的最大允许反向电压，用 VCBO或 BVCBO 表示。发射极发射极反向击穿电压该电压是指当晶体管的集电极开路时

22、，其发射极与基极与之间的最大允许反向电压，用 VEBO 或 BVEBO 表示。集电极基极之间的反向电流ICBO ICBO也称集电结反向漏电电流，是指当晶体管的发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。ICBO对温度较敏感，该值越小，说明晶体管的温度特性越好。集电极发射极之间的反向击穿电流ICEO ICEO是指当晶体管的基极开路时，其集电极与发射极之间的反向漏电电流，也称穿透电流。此电流值越小，说明晶体管的性能越好。六、管脚判别及放大倍数估算：1、判别基极和管子的类型选用欧姆档的R*100（或 R*1K）档，先用红表笔接一个管脚，黑表笔接另一个管脚，可测出两个电阻值，然后再用红表笔接另一个管脚，

23、重复上述步骤，又测得一组电阻值，这样测 3 次，其中有一组两个阻值都很小的，对应测得这组值的红表笔接的为基极，且管子是PNP型的；反之，若用黑表笔接一个管脚，重复上述做法，若测得两个阻值都小，对应黑表笔为基极，且管子是NPN型的。2、判别集电极因为三极管发射极和集电极正确连接时 大（表针摆动幅度大），反接时 就小得多。因此，先假设一个集电极，用欧姆档连接，（对 NPN型管，发射极接黑表笔，集电极接红表笔）。测量时，用手捏住基极和假设的集电极，两极不能接触，若指针摆动幅度大，而把两极对调后指针摆动小，则说明假设是正确的，从而确定集电极和发射极。3、电流放大系数 的估算选用欧姆档的R*100（或

24、R*1K）档，对 NPN型管，红表笔接发射极，黑表笔接集电极，测量时，只要比较用手捏住基极和集电极（两极不能接触），和把手放开两种情况小指针摆动的大小，摆动越大，值越高。七、代换原则：晶体管的置换原则可概括为三条：即类型相同、特性相近、外形相似。一、类型相同1材料相同。即锗管置换锗管，硅管置换硅管。2极性相同。即npn 型管置换npn 型管，pnp 型管置换pnp 型管。二、特性相近名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -用于置换的晶体管应与原晶体管的特性相近，它们的主要参数值及特性曲线应相差不多。晶体管的主要参数近20 个，要求所有这些参数都相近，不但困难，而

25、且没有必要。一般来说，只要下述主要参数相近，即可满足置换要求。1集电板最大直流耗散功率(pcm)一般要求用pcm与原管相等或较大的晶体管进行置换。但经过计算或测试，如果原晶体管在整机电路中实际直流耗散功率远小于其pcm，则可以用pcm较小的晶体管置换。2集电极最大允许直流电流(icm)一般要求用icm 与原管相等或较大的晶体管进行置换。3击穿电压用于置换的晶体管，必须能够在整机中安全地承受最高工作电压；来源：输配电设备网4频率特性晶体管频率特性参数，常用的有以下2 个：(1)特征频率ft：它是指在测试频率足够高时，使晶体管共发射极电流放大系数时的频率。(2)截止频率fb：在置换晶体管时，主要考

26、虑ft 与 fb。通常要求用于置换的晶体管，其ft与 fb，应不小于原晶体管对应的ft与 fb。5其他参数除以上主要参数外，对于一些特殊的晶体管，在置换时还应考虑以下参数：(1)对于低噪声晶体管，在置换时应当用噪声系数较小或相等的晶体管。(2)对于具有自动增益控制性能的晶体管，在置换时应当用自动增益控制特性相同的晶体管。(3)对于开关管，在置换时还要考虑其开关参数。三、外形相似小功率晶体管一般外形均相似，只要各个电极引出线标志明确，且引出线排列顺序与待换管一致，即可进行更换。大功率晶体管的外形差异较大，置换时应选择外形相似、安装尺寸相同的晶体管，以便安装和保持正常的散热条件。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -