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2018

09/04

什么是集成电路技术的根本?晶体管之于集成电

摘自:电子发烧友

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。

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晶体管的延生

1947年12月23日,在贝尔实验室科学家肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组证明了20世纪最重要的发明:第一只真正的晶体管,从此人类步入了飞速发展的电子时代。

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在20世纪最初的10年,半导体材料已经开始在通信系统应用。20世纪上半叶,在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音收,就采用矿石这种半导体材料进行检波。同时,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。

基于电子管处理高频信号的效果不理想,人们就想办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,有一根与半导体矿石表面相接触的金属丝,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,这就为晶体管的发明奠定了基础。

第二次世界大战结束后,为了克服电子管的局限性,贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人探讨用半导体材料制作 放大器 件的可能性,决定集中研究锗、硅等半导体材料。

1945年秋天,贝尔实验室正式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。其中,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。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量靠近它,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。他们在基极和发射极之间输入一个弱信号,在基极和集电极之间的输出端,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-resis te r(转换电阻),后来缩写为transistor,中文译名就是晶体管。

点接触型晶体管有自己的缺点,它存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄,另外制造工艺复杂,致使许多产品出现故障等缺点。为了克服以上缺点,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。

终于在1950年,第一只“面结型晶体管”问世了。它的性能与原来设想的完全一致。1956年,因发明晶体管,肖克莱、巴丁、布拉顿三人同时荣获诺贝尔物理学奖。今天的晶体管,大部分仍是这种面结型晶体管。

1954 年,随着第一台晶体管无线电的售出,晶体管成为大众文化的一部分,这是为晶体管发明者们所称道的一个发展。

直到 20 世纪50年代后期,晶体管成为了电子电话转接系统的一个不可分割的组成部分,也成为便携式收音机、计算机和雷达等其它重要产品和服务的关键组件。

随着半导体技术的不断发展,晶体管的运行速度更快,可靠性更高,成本也更低。1959 年,随着能够将大量的晶体管及其它电子器件集成到一块硅片上的集成电路的发明,晶体管取得了新的突破。

这些微芯片不仅使得晶体管的创新达到了新的高度,而且还推动了信息时代的发展。

自晶体管发明以来,其尺寸不断缩小,到现在,60亿(相当于目前全球人口数量)枚晶体管所占面积不过仅为一张信用卡的大小而已。

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晶体管的结构特性

晶体管的结构

晶体管内部由两PN结构成,其三个电极分别为集电极(用字母C或c表示),基极(用字母B或b表示)和发射极(用字母E或e表示)。如图5-4所示,晶体管的两个PN结分别称为集电结(C、B极之间)和发射结(B、E极之间),发射结与集电结之间为基区。

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根据结构不同,晶体管可分为PNP型和NPN型两类。在电路图形符号上可以看出两种类型晶体管的发射极箭头(代表集电极电流的方向)不同。PNP型晶体管的发射极箭头朝内,NPN型晶体管的发射极箭头朝外。

三极管各个电极的作用及电流分配

晶体管三个电极的电极的作用如下:发射极(E极)用来发射电子;基极(B极)用来控制E极发射电子的数量;集电极(C极)用业收集电子。

晶体管的发射极电流IE与基极电流IB、集电极电流IC之间的关系如下:IE=IB+IC

晶体管的工作条件

晶体管属于电流控制型半导体器件,其放大特性主要是指电流放大能力。所谓放大,是指当晶体管的基极电流发生变化时,其集电极电流将发生更大的变化或在晶体管具备了工作条件后,若从基极加入一个较小的信号,则其集电极将会输出一个较大的信号。

晶体管的基本工作条件是发射结(B、E极之间)要加上较低的正向电压(即正向偏置电压),集电结(B、C极之间)要加上较高的反向电压(即反向偏置电压)。

晶体管发射结的正向偏置电压约等于PN结电压,即硅管为0.6~0.7V,锗管为0.2~0.3V。集电结的反向偏置电压视具体型号而定。

晶体管的工作状态

晶体管有截止、导通和饱和三种状态。在晶体管不具备工作条件时,它处截止状态,内阻很大,各极电流几乎为0。

当晶体管的发射结加下合适的正向偏置电压、集电结加上反向偏置电压时,晶体管导通,其内阻变小,各电极均有工作电流产生(IE=IB+IC)。适当增大其发射结的正向偏置电压、使基极电流IB增大时,集电极电流IC和发射极电流IE也会随之增大。

当晶体管发射结的正向偏置电压增大至一定值(硅管等于或略高于0.7V,锗管等于或略高于0.3V0时,晶体管将从导通放大状态进入饱和状态,此时集电极电流IC将处于较大的恒定状态,且已不受基极电流IB控制。晶体管的导通内阻很小(相当于开关被接通),集电极与发射极之间的电压低于发射结电压,集电结也由反偏状态变为正偏状态。

晶体管的主要分类及型号

高频晶体管

高频晶体管(指特征频率大于30MHZ的晶体管)可分为高频小功率晶体管和高频大功率晶体管。

常用的国产高频小功率晶体管有3AG1~3AG4、3AG11~3AG14、3CG3、3CG14、3CG21、3CG9012、3CG9015、3DG6、3DG8、3DG12、3DG130、3DG9011、3DG9013、3DG9014、3DG9043等型号。

常用的进口高频小功率晶体管有2N5551、2N5401、BC148、BC158、BC328、BC548、BC558、9011~9015、S9011~S9015、TEC9011~TEC9015、2SA1015、2SC1815、2SA562、2SC1959、2SA673、2SC1213等型号。

高频中、大功率晶体管一般用于视频放大电路、前置放大电路、互补驱动电路、高压开关电路及行推动等电路。

常用的国产高频中、大功率晶体管有3DG41A~3DG41G、3DG83A~3DG83E、3DA87A~3DA87E、3DA88A~3DA88E、3DA93A~3DA93D、3DA151A~3DG151D、3DA1~3DA5、3DA100~3DA108、3DA14A~3DA14D、3DA30A~3DA30D、3DG152A~3DG152J、3CA1~3CA9等型号。

常用的进口高频中、大功率晶体管有2SA634、2SA636、2SA648A、2SA670、2SB940、2SB734、2SC2068、2SC2258、2SC2371、2SD1266A、2SD966、2SD8829、S8050、S8550、BD135、BD136等型号,各管的主要参数见表5-4。

超高频晶体管

超高频晶体管也称微波晶体管,其频率特性一般高于500MHZ,主要用于电视、雷达、导航、通信等领域中处理微波波段(300MHZ以上的频率)的信号。

常用的国产超高频晶体管有3AG95、3CG15A~3CG15D、3DG56(2G210)、3DG80(2G211、2G910)、3DG18A~3DG18C、2G711A~2G711E、3DG103、3DG112、3DG145~3DG156、3DG122、3DG123、3DG130~3DG132、3DG140~3DG148、3CG102、3CG113、3CG114、3CG122、3CG132、3CG140、3DA89、3DA819~3DA823等型号。

常用的进口超高频晶体管有2SA130、2SA1855、2SA1886、2SC286~2SC288、2SC464~2SC466、2SD1266、BF769、BF959等型号。

中、低频晶体管

低频晶体管的特征频率一般低于或等于3MHZ,中频晶体管的特征频率一般低于30MHZ。

中、低频小功率晶体管

中低频小功率晶体管主要用于工作频率较低、功率在1W以下的低频放大和功率放大等电路中。

常见的国产低频小功率晶体管有3AX1~3AX15、3AX21~3AX25、3AX31、3BX31、3AX81、3AX83、3AX51~3AX55、3DX200~3DX204、3CX200~3CX204等型号,表5-7是各管的主要参数。

常用的进口中、低频小功率晶体管有2SA940、2SC2073、2SC1815、2SB134、2SB135、2N2944~2N2946等型号。

中、低频大功率晶体管

中、低频大功率晶体管一般用在电视机、音响等家电中作为电源调整管、开关管、场输出管、行输出管、功率输出管或用在汽车电子点火电路、逆变器、不间断电源(UPS)等系统中。

常用的国产低频大功率晶体管有3DD102、3DD14、3DD15、3DD52、DD01、DD03、D74、3AD6、3AD30、3DA58、DF104等型号,表5-9是各管的主要参数。

常用的进口中、低频大功率晶体管有2SA670、2SB337、2SB556K、2SD553Y、2SD1585、2SC1827、2SC2168、BD201~BD204等型号,表5-10是各管的主要参数。

互补对管

为了提高功率放大品的输出功率和效率,减小失真, 功率放大器 通常采用推挽式功率放大电路,即由两只互补晶体管分别放大一个完整正弦波的正、负半周信号。这要求两只互补晶体管的材料相, ,性能参数(例如耗散功率PCM、最大集电极电流ICM、最高反向电压VCBO、电流放大系数hFE、特征频率fT等)也要尽可能一致使用前应进行挑选“配对”。

互补对管一般采用异极性对管,即两只晶体管一只为NPN型管,另一只为PNP型管。

开关晶体管

开关晶体管是一种饱和与截止状态变换速度较快的晶体管,广泛应用于各种脉冲电路、开关电路及功率输出电路中。

开关晶体管分为小功率开关晶体管和高反压大功率开关晶体管等

小功率开关晶体管一般用于高频放大电路、脉冲电路、开关电路及同步分离电路等。常用的国产小功率开关晶体管有3AK系列3CK系列和3DK系列。

高反压大功率开关晶体管 高反压大功率开关晶体管通常均为硅NPN型,其最高反向电压VCBO高于800V,主要用于彩色电视机、电脑显示器中作 开关电源 管、行输出管或用于汽车电子点火器、电子镇流器、逆变器、不间断电源(UPS)等产品中。常用的高反压大功率开关晶体管有2SD820、2SD850、2SD1401、2SD1403、2SD1432~2SD1433、2SC1942等型号。

带阻尼行输出管

带阻尼行输出管是将高反压大功率开关晶体管与阻尼 二极管 、保护电阻封装为一体构成的特殊电子器件,主要用于彩色电视机或电脑显示器中。

带阻尼行输出管有金属封装(TO-3)和塑封(TO-3P)两种封装形式。

差分对管

差分对管也称孪生对管或一体化差分对管,它是将两只性能参数相同的晶体管封装在一起构成的电子器件,一般用在音频放大器或仪器、仪表中作差分输入放大管。

差分对管有NPN型和PNP型两种结构。常见的国产NPN型差分对管有3DG06A~3DG06D等型号。PNP型差分对管有3CSG3、ECM1A等型号。

常见的进口NPN型差分对管有2SC1583等型号,PNP型差分对管有2SA798等型号。

达林顿管

达林顿管也称复合晶体管,具有较大的电流放大系数及较高的输入阻抗。它又分为普通达林顿管和大功率达林顿管。

普通达林顿管通常由两只晶体管或多只晶体管复合连接而成,内部不带 保护电路 ,耗散功率在2W以下。

普通达林顿管一般采用TO-92塑料封装,主要用于高增益放大电路或继电器驱动电路等。常用的普通达林顿管有PN020、MP-SA6266等型号。

大功率达林顿管在普通达林顿管的基础上,增加了由泄放电阻和续流二极管组成的保护电路,稳定性较高,驱动电流更大。

大功率达林顿管一般采用TO-3金属封装或采用TO-126、TO-220、TO-3P等外形塑料封装,主要用于音频功率放大、电源稳压、大电流驱动、开关控制等电路。

带阻晶体管

带阻晶体管是将一只或两只 电阻器 与晶体管连接后封装在一起构成的,作反相器或倒相器,广泛应用于电视机、影碟机、录像机等家电产品中。其封装外形有EM3、UMT、SST(美国或欧洲SOT-23)、SMT(SC-59/日本SOT-23)、MPT(SOT-89)、FTR和TO-92等,耗散功率为150~400mW。

带阻晶体管的电路图形符号及文字符号 带阻晶体管目前尚无统一标准符号,在不同厂家的电子产品中电路图形符号及文字符号的标注方法也不一样。例如,日立、 松下 等公司的产品中常用字母“QR”来表示, 东芝 公司用字母“RN”来表示,飞利浦及NEC(日电)等公司用字母“Q”表示,还有的厂家用“IC”表示,国内电子产品中可以使用晶体管的文字符号,即用字母“V”或“VT”来表示。图5-12是不同厂家电子产品中带阻晶体管常用的电路图形符号。

常用的进口带阻三极管有DTA系列、DTB系列、DTC系列、DTD系列、MRN系列、RN系列、UN系列、KSR系列、FA系列、FN系列、GN系列、GA系列、HC系列、HD系列、HQ系列、HR系列等多种。常用的国产带阻晶体管有GR系列等。

光敏三极管

光敏三极管是具有放大能力的光-电转换三极管,广泛应用于各种光控电路中。

在无光照射时,光敏三极管处于截止状态,无电信号输出。光当信号照射其基极(受光窗口)时,光敏三极管将导通,从发射极或集电极输出放大后的电信号。

光敏三极管在电路中的文字符号与普通三极管相同,用字母“V”或“VT”表示。

光敏三极管有塑封、金属封装(顶部为玻璃镜窗口)环氧树脂、陶瓷等多种封装结构,引脚也分为两脚和三脚型。

常用的国产光敏三极管以硅NPN型为主有3DU11~3DU13、3DU21~3DU23、3DU31~3DU33、3DU51A~3DU51C、3DU51~3DU54、3DU111~3DU113、3DU121~3DU123~3DU131~3DU133、3DU311~3DU333、3DU411~3DU433、3DU80等型号。

磁敏三极管

磁敏三极管是一种对磁场敏感的磁-电转换器件,它可以将磁信号转换成电信号。

常见的磁敏三极管有3CCM和4CCM等型号。3CCM采用双极型结构,具有正、反向磁灵敏度极性,有确定的磁敏感面(通常用色点标注)。

磁敏三极管一般用于电动机转速控制、防盗等各种磁控电路中。

恒流三极管

恒流三极管是一种可以调节和稳定电流的特殊器件。它的三个电极分别是阳极(正极)A阴极(负极)C和控制极G。通过改变恒流三极管控制极的电压,即可调节恒流值的大小。

恒流三极管一般用于限流保护和恒流标准电源,也可在直流电源等电路中作恒流器件。常用的恒流三极管有3DH010~3DH050等型号,其恒流范围为5~500Ma,工作电压为5~80V。