晶體管工作原理 晶體管分類及介紹 解析全面晶體管工作原理大全-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2017-05-25
電力晶體管按英文Giant Transistor直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT)，所以有時(shí)也稱為Power BJT;其特性有：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，但驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)功率大;GTR和普通雙極結(jié)型晶體管的工作原理是一樣的。
光晶體管(phototransistor)由雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管等三端器件構(gòu)成的光電器件。光在這類器件的有源區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生光生載流子，通過內(nèi)部電放大機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生光電流增益。光晶體管三端工作，故容易實(shí)現(xiàn)電控或電同步。光晶體管所用材料通常是砷化鎵(GaAs)，主要分為雙極型光晶體管、場(chǎng)效應(yīng)光晶體管及其相關(guān)器件。雙極型光晶體管通常增益很高，但速度不太快，對(duì)于GaAs-GaAlAs，放大系數(shù)可大于1000，響應(yīng)時(shí)間大于納秒，常用于光探測(cè)器，也可用于光放大。場(chǎng)效應(yīng)光晶體管響應(yīng)速度快(約為50皮秒)，但缺點(diǎn)是光敏面積小，增益小(放大系數(shù)可大于10)，常用作極高速光探測(cè)器。與此相關(guān)還有許多其他平面型光電器件，其特點(diǎn)均是速度快(響應(yīng)時(shí)間幾十皮秒)、適于集成。這類器件可望在光電集成中得到應(yīng)用。
雙極晶體管(bipolar transistor)指在音頻電路中使用得非常普遍的一種晶體管。雙極則源于電流系在兩種半導(dǎo)體材料中流過的關(guān)系。雙極晶體管根據(jù)工作電壓的極性而可分為NPN型或PNP型。
“雙極”的含義是指其工作時(shí)電子和空穴這兩種載流子都同時(shí)參與運(yùn)動(dòng)。雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT)又稱為半導(dǎo)體三極管，它是通過一定的工藝將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu);外部引出三個(gè)極：集電極，發(fā)射極和基極，集電極從集電區(qū)引出，發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出，基極從基區(qū)引出(基區(qū)在中間);BJT有放大作用，重要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸?shù)竭_(dá)集電區(qū)而實(shí)現(xiàn)的，為了保證這一傳輸過程，一方面要滿足內(nèi)部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時(shí)基區(qū)厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結(jié)要正向偏置(加正向電壓)、集電結(jié)要反偏置;BJT種類很多，按照頻率分，有高頻管，低頻管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半導(dǎo)體材料分，有硅管和鍺管等;其構(gòu)成的放大電路形式有：共發(fā)射極、共基極和共集電極放大電路。
“場(chǎng)效應(yīng)”的含義是這種晶體管的工作原理是基于半導(dǎo)體的電場(chǎng)效應(yīng)的。場(chǎng)效應(yīng)晶體管(field effect transistor)利用場(chǎng)效應(yīng)原理工作的晶體管，英文簡(jiǎn)稱FET。場(chǎng)效應(yīng)晶體管又包含兩種主要類型：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(Junction FET，縮寫為JFET)和金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal-Oxide Semiconductor FET，縮寫為MOS-FET)。與BJT不同的是，F(xiàn)ET只由一種載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電，因此也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)。
場(chǎng)效應(yīng)就是改變外加垂直于半導(dǎo)體表面上電場(chǎng)的方向或大小，以控制半導(dǎo)體導(dǎo)電層(溝道)中多數(shù)載流子的密度或類型。它是由電壓調(diào)制溝道中的電流，其工作電流是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子輸運(yùn)。這類只有一種極性載流子參加導(dǎo)電的晶體管又稱單極型晶體管。與雙極型晶體管相比，場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有輸入阻抗高、噪聲小、極限頻率高、功耗小，制造工藝簡(jiǎn)單、溫度特性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種放大電路、數(shù)字電路和微波電路等。以硅材料為基礎(chǔ)的金屬0-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)和以砷化鎵材料為基礎(chǔ)的肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)管(MESFET )是兩種最重要的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，分別為MOS大規(guī)模集成電路和MES超高速集成電路的基礎(chǔ)器件。
靜電感應(yīng)晶體管SIT(StaticInductionTransistor)誕生于1970年，實(shí)際上是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合，目前已在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等某些專業(yè)領(lǐng)域獲得了較多的應(yīng)用。
但是SIT在柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。此外，SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。
用一個(gè)或者少量電子就能記錄信號(hào)的晶體管。隨著半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)和工藝的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度越來越高。以動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)為例，它的集成度差不多以每?jī)赡暝黾铀谋兜乃俣劝l(fā)展，預(yù)計(jì)單電子晶體管將是最終的目標(biāo)。目前一般的存儲(chǔ)器每個(gè)存儲(chǔ)元包含了20萬(wàn)個(gè)電子，而單電子晶體管每個(gè)存儲(chǔ)元只包含了一個(gè)或少量電子，因此它將大大降低功耗，提高集成電路的集成度。
1989年斯各特(J.H.F.Scott-Thomas)等人在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象。在調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)界面形成的二維電子氣上面，制作一個(gè)面積很小的金屬電極，使得在二維電子氣中形成一個(gè)量子點(diǎn)，它只能容納少量的電子，也就是它的電容很小，小于一個(gè)F(10~15法拉)。當(dāng)外加電壓時(shí)，如果電壓變化引起量子點(diǎn)中電荷變化量不到一個(gè)電子的電荷，則將沒有電流通過。直到電壓增大到能引起一個(gè)電子電荷的變化時(shí)，才有電流通過。因此電流-電壓關(guān)系不是通常的直線關(guān)系，而是臺(tái)階形的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在歷史上第一次實(shí)現(xiàn)了用人工控制一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)，為制造單電子晶體管提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。為了提高單電子晶體管的工作溫度，必須使量子點(diǎn)的尺寸小于10納米，目前世界各實(shí)驗(yàn)室都在想各種辦法解決這個(gè)問題。有些實(shí)驗(yàn)室宣稱已制出室溫下工作的單電子晶體管，觀察到由電子輸運(yùn)形成的臺(tái)階型電流——電壓曲線，但離實(shí)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
絕緣柵雙極晶體管(Insulate-GateBipolarTransistor—IGBT)綜合了電力晶體管(GiantTransistor—GTR)和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛;IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。
功率開關(guān)管的種類很多，如巨型晶體管GTR、快速晶閘管SCR、門極可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管P- MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等。其中，開關(guān)電源中經(jīng)常使用的是P - MOSFET和IGBT。
選擇功率開關(guān)管時(shí)，應(yīng)根據(jù)變換器類型、功率和可靠性等性能，確定功率開關(guān)管的耐壓值和導(dǎo)通電流等參數(shù)。
雙極結(jié)型晶體管( BJT)是一種艤極型半導(dǎo)體器件，其中大容量的雙極結(jié)型晶體管義稱巨型晶體管( GTR)，其內(nèi)部有電子和空穴兩種載流子。根據(jù)半導(dǎo)體類型的不同，BJT可以分為NPN型和PNP型兩種，其中硅功率晶體管多為NPN型。在開關(guān)電源中1，BJT工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。BJT的開關(guān)時(shí)間對(duì)它的應(yīng)用有較大的影n向，因此選用BJT時(shí)，應(yīng)注意其開關(guān)頻率。為了使BJT快速導(dǎo)通，縮短開通時(shí)間toff驅(qū)動(dòng)電流必須具有—定幅值，且前沿足夠陡峭并有。定過沖的止向驅(qū)動(dòng)電流為加速BJT關(guān)斷，縮短關(guān)斷時(shí)間TOFF在關(guān)斷前使BJt'處于臨界飽和狀態(tài)，基極反偏電流幅值足夠大，并且加反向截止電壓。
此外，BJT的工作點(diǎn)是隨電壓和電流的不同而變化的，而一般廠家給出的參數(shù)是在特定條件且環(huán)境溫度為+25度數(shù)值。當(dāng)環(huán)境溫度高于+25℃時(shí)，BJT的功率應(yīng)適當(dāng)降低。增大電壓和電流余量，同時(shí)改善散熱條件，可以提高BJT的可靠件：BJT應(yīng)盡量避免靠近發(fā)熱元件，以保證管殼散熱良好。當(dāng)BJT的耗散功率大于SW時(shí)，應(yīng)加散熱器。焊接BJT時(shí)，應(yīng)采用熔點(diǎn)不超過150℃的低熔點(diǎn)焊錫，且電烙鐵以60W以卜為宜，焊接時(shí)間不超過5，。為防止BJT（MOS管擊穿）二次擊穿，應(yīng)盡量避免采用電抗成分過大的負(fù)載，并合理選擇工作點(diǎn)及工作狀態(tài)，使之不超過BJT的安全工作區(qū).
參數(shù)
晶體管的主要參數(shù)有電流放大系數(shù)、耗散功率、頻率特性、集電極最大電流、最大反向電壓、反向電流等。
放大系數(shù)
直流電流放大系數(shù)也稱靜態(tài)電流放大系數(shù)或直流放大倍數(shù)，是指在靜態(tài)無變化信號(hào)輸入時(shí)，晶體管集電極電流IC與基極電流IB的比值，一般用hFE或β表示。
交流放大倍數(shù)
交流放大倍數(shù)，也即交流電流放大系數(shù)、動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)，是指在交流狀態(tài)下，晶體管集電極電流變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值，一般用hfe或β表示。hFE或β既有區(qū)別又關(guān)系密切，兩個(gè)參數(shù)值在低頻時(shí)較接近，在高頻時(shí)有一些差異。
耗散功率
耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM，是指晶體管參數(shù)變化不超過規(guī)定允許值時(shí)的最大集電極耗散功率。耗散功率與晶體管的最高允許結(jié)溫和集電極最大電流有密切關(guān)系。晶體管在使用時(shí)，其實(shí)際功耗不允許超過PCM值，否則會(huì)造成晶體管因過載而損壞。通常將耗散功率PCM小于1W的晶體管稱為小功率晶體管，PCM等于或大于1W、小于5W的晶體管被稱為中功率晶體管，將PCM等于或大于5W的晶體管稱為大功率晶體管。
最高頻率fM
最高振蕩頻率是指晶體管的功率增益降為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。通常，高頻晶體管的最高振蕩頻率低于共基極截止頻率fα，而特征頻率fT則高于共基極截止頻率fα、低于共集電極截止頻率fβ。
最大電流
集電極最大電流(ICM)是指晶體管集電極所允許通過的最大電流。當(dāng)晶體管的集電極電流IC超過ICM時(shí)，晶體管的β值等參數(shù)將發(fā)生明顯變化，影響其正常工作，甚至還會(huì)損壞。
最大反向電壓
最大反向電壓是指晶體管在工作時(shí)所允許施加的最高工作電壓。它包括集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓、集電極—基極反向擊穿電壓和發(fā)射極—基極反向擊穿電壓。
集電極——集電極反向擊穿電壓
該電壓是指當(dāng)晶體管基極開路時(shí)，其集電極與發(fā)射極之間的最大允許反向電壓，一般用VCEO或BVCEO表示。基極—— 基極反向擊穿電壓該電壓是指當(dāng)晶體管發(fā)射極開路時(shí)，其集電極與基極之間的最大允許反向電壓，用VCBO或BVCBO表示。
發(fā)射極——發(fā)射極反向擊穿電壓
該電壓是指當(dāng)晶體管的集電極開路時(shí)，其發(fā)射極與基極與之間的最大允許反向電壓，用VEBO或BVEBO表示。
集電極——基極之間的反向電流ICBO
ICBO也稱集電結(jié)反向漏電電流，是指當(dāng)晶體管的發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間的反向電流。ICBO對(duì)溫度較敏感，該值越小，說明晶體管的溫度特性越好。
集電極——發(fā)射極之間的反向擊穿電流ICEO
ICEO是指當(dāng)晶體管的基極開路時(shí)，其集電極與發(fā)射極之間的反向漏電電流，也稱穿透電流。此電流值越小，說明晶體管的性能越好
功率晶體管的性能。如
(1)開關(guān)晶體管有效芯片面積的增加，
(2)技術(shù)上的簡(jiǎn)化，
(3)晶體管的復(fù)合——達(dá)林頓，
(4)用于大功率開關(guān)的基極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步。
直接工作在整流380V市電上的晶體管功率開關(guān)
晶體管復(fù)合(達(dá)林頓)和并聯(lián)都是有效地增加晶體管開關(guān)能力的方法
在這樣的大功率電路中，存在的主要問題是布線。很高的開關(guān)速度能在很短的連接線上產(chǎn)生相當(dāng)高的干擾電壓
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