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、大電流的雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT)，所以有時也稱為Power BJT;其特性有：耐壓高，電流大，開關特性好，但驅動電路復雜，驅動功率大;GTR和普通雙極結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效應晶體管等三端器件構成的光電器件。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)部電放大機構，產(chǎn)生光電流增益。光晶體管三端工作，故容易實現(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、場效應光晶體管及其相關器件。雙極型光晶體管通常增益很高，但速度不太快，對于GaAs-GaAlAs，放大系數(shù)可大于1000，響應時間大于納秒，常用于光探測器，也可用于光放大。場效應光晶體管響應速度快(約為50皮秒)，但缺點是光敏面積小，增益小(放大系數(shù)可大于10)，常用作極高速光探測器。與此相關還有許多其他平面型光電器件，其特點均是速度快(響應時間幾十皮秒)、適于集成。這類器件可望在光電集成中得到應用。
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體材料中流過的關系。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電子和空穴這兩種載流子都同時參與運動。雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT)又稱為半導體三極管，它是通過一定的工藝將兩個PN結結合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結構;外部引出三個極：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_集電區(qū)而實現(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)濃度要遠大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時基區(qū)厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結要正向偏置(加正向電壓)、集電結要反偏置;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，按照半導體材料分，有硅管和鍺管等;其構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。
“場效應”的含義是這種晶體管的工作原理是基于半導體的電場效應的。場效應晶體管(field effect transistor)利用場效應原理工作的晶體管，英文簡稱FET。場效應晶體管又包含兩種主要類型：結型場效應管(Junction FET，縮寫為JFET)和金屬-氧化物半導體場效應管(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)參與導電，因此也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件，具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域寬等優(yōu)點。
場效應就是改變外加垂直于半導體表面上電場的方向或大小，以控制半導體導電層(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體中的多數(shù)載流子輸運。這類只有一種極性載流子參加導電的晶體管又稱單極型晶體管。與雙極型晶體管相比，場效應晶體管具有輸入阻抗高、噪聲小、極限頻率高、功耗小，制造工藝簡單、溫度特性好等特點，廣泛應用于各種放大電路、數(shù)字電路和微波電路等。以硅材料為基礎的金屬0-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)和以砷化鎵材料為基礎的肖特基勢壘柵場效應管(MESFET )是兩種最重要的場效應晶體管，分別為MOS大規(guī)模集成電路和MES超高速集成電路的基礎器件。
靜電感應晶體管SIT(StaticInductionTransistor)誕生于1970年，實際上是一種結型場效應晶體管。將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向導電結構改為垂直導電結構，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當，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合，目前已在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等某些專業(yè)領域獲得了較多的應用。
但是SIT在柵極不加任何信號時是導通的，柵極加負偏壓時關斷，這被稱為正常導通型器件，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)電力電子設備中得到廣泛應用。
用一個或者少量電子就能記錄信號的晶體管。隨著半導體刻蝕技術和工藝的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度越來越高。以動態(tài)隨機存儲器(DRAM)為例，它的集成度差不多以每兩年增加四倍的速度發(fā)展，預計單電子晶體管將是最終的目標。目前一般的存儲器每個存儲元包含了20萬個電子，而單電子晶體管每個存儲元只包含了一個或少量電子，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)等人在實驗上發(fā)現(xiàn)了庫侖阻塞現(xiàn)象。在調(diào)制摻雜異質(zhì)結界面形成的二維電子氣上面，制作一個面積很小的金屬電極，使得在二維電子氣中形成一個量子點，它只能容納少量的電子，也就是它的電容很小，小于一個F(10~15法拉)。當外加電壓時，如果電壓變化引起量子點中電荷變化量不到一個電子的電荷，則將沒有電流通過。直到電壓增大到能引起一個電子電荷的變化時，才有電流通過。因此電流-電壓關系不是通常的直線關系，而是臺階形的。這個實驗在歷史上第一次實現(xiàn)了用人工控制一個電子的運動，為制造單電子晶體管提供了實驗依據(jù)。為了提高單電子晶體管的工作溫度，必須使量子點的尺寸小于10納米，目前世界各實驗室都在想各種辦法解決這個問題。有些實驗室宣稱已制出室溫下工作的單電子晶體管，觀察到由電子輸運形成的臺階型電流——電壓曲線，但離實用還有相當?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)和電力場效應晶體管(PowerMOSFET)的優(yōu)點，具有良好的特性，應用領域很廣泛;IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。
功率開關管的種類很多，如巨型晶體管GTR、快速晶閘管SCR、門極可關斷晶閘管GTO、功率場效應晶體管P- MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等。其中，開關電源中經(jīng)常使用的是P - MOSFET和IGBT。
選擇功率開關管時，應根據(jù)變換器類型、功率和可靠性等性能，確定功率開關管的耐壓值和導通電流等參數(shù)。
雙極結型晶體管( BJT)是一種艤極型半導體器件，其中大容量的雙極結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。在開關電源中1，BJT工作在開關狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。BJT的開關時間對它的應用有較大的影n向，因此選用BJT時，應注意其開關頻率。為了使BJT快速導通，縮短開通時間toff驅動電流必須具有—定幅值，且前沿足夠陡峭并有。定過沖的止向驅動電流為加速BJT關斷，縮短關斷時間TOFF在關斷前使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。當環(huán)境溫度高于+25℃時，BJT的功率應適當降低。增大電壓和電流余量，同時改善散熱條件，可以提高BJT的可靠件：BJT應盡量避免靠近發(fā)熱元件，以保證管殼散熱良好。當BJT的耗散功率大于SW時，應加散熱器。焊接BJT時，應采用熔點不超過150℃的低熔點焊錫，且電烙鐵以60W以卜為宜，焊接時間不超過5，。為防止BJT（MOS管擊穿）二次擊穿，應盡量避免采用電抗成分過大的負載，并合理選擇工作點及工作狀態(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)無變化信號輸入時，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)別又關系密切，兩個參數(shù)值在低頻時較接近，在高頻時有一些差異。
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)定允許值時的最大集電極耗散功率。耗散功率與晶體管的最高允許結溫和集電極最大電流有密切關系。晶體管在使用時，其實際功耗不允許超過PCM值，否則會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時所對應的頻率。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。當晶體管的集電極電流IC超過ICM時，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，甚至還會損壞。
最大反向電壓
最大反向電壓是指晶體管在工作時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
該電壓是指當晶體管基極開路時，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晶體管發(fā)射極開路時，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
該電壓是指當晶體管的集電極開路時，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也稱集電結反向漏電電流，是指當晶體管的發(fā)射極開路時，集電極與基極之間的反向電流。ICBO對溫度較敏感，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是指當晶體管的基極開路時，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)開關晶體管有效芯片面積的增加，
(2)技術上的簡化，
(3)晶體管的復合——達林頓，
(4)用于大功率開關的基極驅動技術的進步。
直接工作在整流380V市電上的晶體管功率開關
晶體管復合(達林頓)和并聯(lián)都是有效地增加晶體管開關能力的方法
在這樣的大功率電路中，存在的主要問題是布線。很高的開關速度能在很短的連接線上產(chǎn)生相當高的干擾電壓
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