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晶体管原理

发布时间:1970-01-01

什么是晶体管?

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,不过从国内的习惯上讲,晶体管有时多指晶体三极管。

晶体管(transistor)是一种固体半导体器件,可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关,基于输入的电压,控制流出的电流,因此晶体管可做为电流的开关,和一般机械开关(如Relay、switch)不同处在于晶体管是利用电讯号来控制,而且开关速度可以非常之快,在实验室中的切换速度可达100GHz以上。

晶体管的主要类型

根据晶体管的结构进行分类,晶体管可以分为:NPN型晶体管和PNP型晶体管。

NPN型晶体管和PNP型晶体管的区别如下图所示:

根据晶体管使用的半导体材料分类,则晶体管可以分为:硅管和锗管。

硅管和锗管的主要区别如下图所示:

晶体管原理

依据晶体管两个PN结的偏置情况,晶体管的工作状态有放大、饱和、截止和倒置四种。

以NPN型晶体管为例,NPN型晶体管的工作原理图及等效电路图如下图所示。

晶体管工作在放大状态:发射结正向偏置,集电结反向偏置。

放大电路如下图所示。

设输入信号ui=UimsinωtV,那么
uBE=ube+UBE
iB=ib+IB
iC=ic+IC
uCE=uce+UCE
其中,uce= - icRC;UCE=VCC-ICRC
由uCE=uce+UCE;uce=-icRC,可知,在RC两端有一个较大的交流分量可共输出;交流信号的传递过程为:ui —>ib—> ic—> icRc

晶体管工作在饱和状态:发射结正向偏置,集电结正向偏置

饱和状态的特点为:

  • UCE≤UBE,集电极正向偏置
  • IC≠βIB,IB失去了对IC的控制。
  • 集电极饱和电压降UCES较小,小功率硅管为0.3~0.5V
  • 饱和时集电极电流ICS=(VCC-UCES)/RC
  • UCE对IC的影响大,当UCE增大,IC将随之增加

晶体管工作在截止状态:发射结反向偏置,集电结反向偏置。

其特点为:发射结反偏;IC=ICBO;IB= - ICBO

晶体管工作在倒置状态:发射结反向偏置,集电结正向偏置

其特点为:集电区扩散到基区的多子较少;发射区收集基区的非平衡少数载流子的能力小;晶体管的电流放大系数很小。

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