三极管的发展与应用

三极管的发展与应用摘要三极管至从出现以来，以简单的构造，广泛的运用，为集成电路的高速发展做出了卓越的贡献。并为计算机的诞生铺平了道路。真空三极管的发明，不仅成为真空电子学的开端，也是电子学历史的开端，推动了人类文明的进程。关键词:三极管，集成电路，计算机技术。Thetriodetosincehasappeared,takethesimplestructure,thewidespreadutilization,makesasintegratedcircuit'shighspeeddevelopmenttheremarkablecontribution，andpavedthewayforcomputer'sbirth.Vacuumtriode'sinvention,notonlybecomesthevacuumelectronicsthebeginning,butalsoelectronicshistorybeginning,promotedthehumancultureadvancement.Keyword:triode,integratedcircuit,computertechnology目录：诸论第一章，三极管的历史第二章，三极管的概念及主要分类第三章，三极管的工作原理1．工作原理：2．三极管的特性曲线：a．输入特性b、输出特性3.工作特性及参数：4.判断基极和三极管的类型第四章，三极管的应用及发展1，三极管的应用2，三极管的发展趋势结论正文诸论：三极管发明于20世纪初期，它的出现产生了第三次工业革命的契机，至从它广泛运用于社会生活以来，在计算机发明问世以来，短短半个世纪，人类文明迅速又电气时代走向自动化时代，三极管在计算机技术力的广泛运用，才又了集成技术的空前发展，计算机迅速走向社会大众，为人民的生活飞速发展产生了不可磨灭的贡献，而三极管的特性使其仍然具有广泛的发展前景，因此研究三极管的发展与应用不仅有极为重要的学术意义还有广泛的社会意义，本文将从三极管的历史以及其工作原理及应用上详细系统的论证其广阔的前景以及重要的发展意义。第一页第一章：三极管的发明历史1906年10月25日，美国科学家德·福雷斯特申请了真空三极管放大器的专利，第二天又向美国电气工程师协会提交了关于三级管放大器的论文。他的专利于1907年1月15日被批准。福雷斯特的真空三级管建立在前人发明的真空二极管的技术基础之上。1904年，英国伦敦大学的弗莱明发明了真空二极管（VacuumDiodeTube）。真空二极管只能单向导电，可以对交流电流进行整流，或者对信号进行检波，但是它不能对信号进行放大。没有能够放大信号的器件，电子技术就无法继续发展。为了提高真空二极管检波灵敏度，福雷斯特在玻璃管内添加了一种栅栏式的金属网，形成电子管的第三个极。他惊讶地看到，这个“栅极”仿佛就像百叶窗，能控制阴极与屏极之间的电子流；只要栅极有微弱电流通过，就可在屏极上获得较大的电流，而且波形与栅极电流完全一致。也就是说，在弗莱明的真空二极管中增加了一个电极，就成了能够起放大作用的新器件，他把这个新器件命名为三极管（Triode）。图1-1真空三极管除了可以处于“放大”状态外，还可分别处于“饱和”与“截止”状态。“饱和”即从阴极（或者叫发射极，emitter）到屏极（evelope）的电流完全导通，相当于开关开启；“截止”即从阴极到屏极没有电流流过，相当于开关关闭。两种状态可以通过调整栅极上的电压进行控制。因此真空三极管可以充当开关器件，其速度要比继电器快成千上万倍。第二章：三极管概念及主要分类。概念：半导体三极管也称双极型晶体管,晶体三极管,简称三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.作用:把微弱信号放大成辐值较大的电信号,也用作无触点开关.第二页分类：a.按材质分:硅管、锗管b.按结构分:NPN、PNPc.按功能分:开关管、功率管、达林顿管、光敏管等.第三章：三极管的工作原理及主要参数1.工作原理：晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正确，发射区的多数载流子（电子）极基区的多数载流子（控穴）很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流Ie。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给，从而形成了基极电流Ibo根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic第三页这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib式中：β--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：β=△Ic/△Ib式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。图一是NPN管的结构图，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，从图可见发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正确，发射区的多数载流子（电子）极基区的多数载流子（控穴）很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流Ie。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给，从而形成了基极电流Ibo根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib式中：β--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：β=△Ic/△Ib式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。第四页3，三极管的特性曲线a、输入特性图2（b)是三极管的输入特性曲线，它表示Ib随Ube的变化关系，其特点是：1）当Uce在0-2伏范围内，曲线位置和形状与Uce有关，但当Uce高于2伏后，曲线Uce基本无关通常输入特性由两条曲线（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。2）当Ube＜UbeR时，Ib≈O称（0～UbeR)的区段为“死区”当Ube＞UbeR时，Ib随Ube增加而增加，放大时，三极管工作在较直线的区段。3）三极管输入电阻，定义为:rbe=(△Ube/△Ib)Q点，其估算公式为：rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏）rb为三极管的基区电阻，对低频小功率管，rb约为300欧。第四页b、输出特性输出特性表示Ic随Uce的变化关系（以Ib为参数）从图2（C）所示的输出特性，可见，它分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。截止区当Ube＜0时，则Ib≈0，发射区没有电子注入基区，但由于分子的热运动，集电集仍有小量电流通过，即Ic=Iceo称为穿透电流，常温时Iceo约为几微安，锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流Icbo的关系是：Iceo=(1+β)Icbo常温时硅管的Icbo小于1微安，锗管的Icbo约为10微安，对于锗管，温度每升高12℃，Icbo数值增加一倍，而对于硅管温度每升高8℃，Icbo数值增大一倍，虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈，但由于锗管的Icbo值本身比硅管大，所以锗管仍然受温度影响较严重的管，放大区，当晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时，Ic随Ib近似作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时，Ic基本上不随Ib而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。综上所述，三极管的基本特点为发射区很厚，掺杂浓度最高；基区很薄，掺杂浓度最小；集电区很厚，掺杂浓度比较高。当b极电位总是高于e极电位,c极电位总是高于b极电位时,该三极管一定处于放大状态。3,工作特性及参数：a.特征频率fT:当f=fT时,三极管完全失去电流放大功能.如果工作频率大于fT,电路将不正常工作.b.工作电压/电流:用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围.c.hFE:电流放大倍数.d.VCEO:集电极发射极反向击穿电压,表示临界饱和时的饱和电压.e.PCM:最大允许耗散功率.f.封装形式：指定该管的外观形状,如果其它参数都正确，封装不同将导致组件无法在正确范围内使用。4,判断基极和三极管的类型先假设三极管的某极为“基极”,将黑表笔接在假设基极上,再将红表笔依次接到其余两个电极上,若两次测得的电阻都大(约几K到几十K),或者都小(几百至几K),对换表笔重复上述测量,若测得两个阻值相反(都很小或都很大),则可确定假设的基极是正确的,否则另假设一极为“基极”,重复上述测试,以确定基极.当基极确定后,将黑表笔接基极,红表笔笔接基它两极若测得电阻值都很少,则该三极管为PNP,反之为NPN.判断集电极C和发射极E,以NPN为例:第五页把黑表笔接至假充的集电极C,红表笔接到假设的发射极E,并用手捏住B和C极,读出表头所示C,E电阻值,然后将红,黑表笔反接重测.若第一次电阻比第二次小,说明原假设成立.晶体体三极管的结构和类型晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区发射的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区发射的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。三极管的封装形式和管脚识别常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类，引脚的排列方式具有一定的规律，底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左向右依次为ebc；对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为ebc。目前，国内各种