三极管

半导体三极管也称为晶体三极管,可以说它是电子电路中最重要的器件。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个 PN 结构成的,而三极管由两个 PN 结构成,共用的一个电极成为三极管的基极(用字母 b 表示)。其他的两个电极成为集电极(用字母 c 表示)和发射极(用字母 e 表示)。由于不同的组合方式,形成了一种是 NPN 型的三极管,另一种是 PNP 型的三极管。

 

晶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。它最主要的功能是电流放大和开关作用。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。三极管的结构示意图如图 1 所示,电路符号如图 2 所示。

 

 

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。

 

三极管的材料

三极管的材料有锗材料和硅材料。它们之间最大的差异就是起始电压不一样。锗管 PN 结的导通电压为 0.2V 左右,而硅管 PN 结的导通电压为 0.6~0.7V。在放大电路中如果用同类型的锗管代换同类型的硅管,或用同类型的硅管代换同类型的锗管一般是可以的,但都要在基极偏置电压上进行必要的调整,因为它们的起始电压不一样。

 

但在脉冲电路和开关电路中不同材料的三极管是否能互换必须具体分析,不能盲目代换。

 

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。对于小功率金属封装三极管,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 e b c;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 e b c。

 

目前,国内各种类型的晶体三极管有许多种,管脚的排列不尽相同,在使用中不确定管脚排列的三极管,必须进行测量确定各管脚正确的位置,或查找晶体管使用手册,明确三极管的特性及相应的技术参数和资料。

 

晶体三极管的电流放大作用

晶体三极管具有电流放大作用,其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb 的比值称为晶体三极管的电流放大倍数,用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值,但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。

 

晶体三极管的三种工作状态

截止状态:当加在三极管发射结的电压小于 PN 结的导通电压,基极电流为零,集电极电流和发射极电流都为零,三极管这时失去了电流放大作用,集电极和发射极之间相当于开关的断开状态,我们称三极管处于截止状态。

 

放大状态:当加在三极管发射结的电压大于 PN 结的导通电压,并处于某一恰当的值时,三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置,这时基极电流对集电极电流起着控制作用,使三极管具有电流放大作用,其电流放大倍数β=ΔIc/ΔIb,这时三极管处放大状态。

 

饱和导通状态:当加在三极管发射结的电压大于 PN 结的导通电压,并当基极电流增大到一定程度时,集电极电流不再随着基极电流的增大而增大,而是处于某一定值附近不怎么变化,这时三极管失去电流放大作用,集电极与发射极之间的电压很小,集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。

 

根据三极管工作时各个电极的电位高低,就能判别三极管的工作状态,因此,电子维修人员在维修过程中,经常要拿多用电表测量三极管各脚的电压,从而判别三极管的工作情况和工作状态。

 

使用多用电表检测三极管

三极管基极的判别:根据三极管的结构示意图,我们知道三极管的基极是三极管中两个 PN 结的公共极,因此,在判别三极管的基极时,只要找出两个 PN 结的公共极,即为三极管的基极。

 

具体方法是将多用电表调至电阻挡的 R×1k 挡,先用红表笔放在三极管的一只脚上,用黑表笔去碰三极管的另两只脚,如果两次全通,则红表笔所放的脚就是三极管的基极。如果一次没找到,则红表笔换到三极管的另一个脚,再测两次;

 

如还没找到,则红表笔再换一下,再测两次。如果还没找到,则改用黑表笔放在三极管的一个脚上,用红表笔去测两次看是否全通,若一次没成功再换。这样最多没量 12 次,总可以找到基极。

 

三极管类型的判别:三极管只有两种类型,即PNP型和NPN型。判别时只要知道基极是P型材料还N型材料即可。当用多用电表 R×1k 挡时,黑表笔代表电源正极,如果黑表笔接基极时导通,则说明三极管的基极为P型材料,三极管即为NPN型。如果红表笔接基极导通,则说明三极管基极为N型材料,三极管即为PNP型。

 

半导体三极管的参数

半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。

 

(1) 直流参数

1)直流电流放大系数

 

 

在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上,通过垂直于 X 轴的直线(vCE=const)来求取 IC / IB ,如图 3 所示。在 IC 较小时和 IC 较大时,会有所减小,这一关系见图 4。

 

 

 

2)极间反向电流

①集电极 - 基极间反向饱和电流 ICBO

ICBO 的下标 CB 代表集电极和基极,O 是 Open 的字头,代表第三个电极 E 开路。它相当于集电结的反向饱和电流。

 

②集电极 - 发射极间的反向饱和电流 ICEO

ICEO 和 ICBO 有如下关系:

 

 

相当基极开路时,集电极和发射极间的反向饱和电流,即输出特性曲线 IB=0 那条曲线所对应的 Y 坐标的数值,如图 5 所示。

 

(2) 交流参数

1)交流电流放大系数

①共发射极交流电流放大系数β

 

 

在放大区,β值基本不变,可在共射接法输出特性曲线上,通过垂直于 X 轴的直线求取△IC/△IB。或在图 02.08 上通过求某一点的斜率得到β。具体方法如图 6 所示

 

 

2)特征频率 fT

三极管的β值不仅与工作电流有关,而且与工作频率有关。由于结电容的影响,当信号频率增加时,三极管的β将会下降。当β下降到 1 时所对应的频率称为特征频率,用 fT 表示。

 

(3) 极限参数

1)集电极最大允许电流 ICM

如图 02.08 所示,当集电极电流增加时,β 就要下降,当β值下降到线性放大区β值的 70~30%时,所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流 ICM。至于β值下降多少,不同型号的三极管,不同的厂家的规定有所差别。可见,当 IC>ICM 时,并不表示三极管会损坏。

 

2)集电极最大允许功率损耗 PCM

集电极电流通过集电结时所产生的功耗, PCM= ICVCB≈ICVCE,因发射结正偏,呈低阻,所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用 VCE 取代 VCB。

 

3)反向击穿电压

反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力,其测试时的原理电路如图 7 所示。

 

 

①V(BR)CBO-- 发射极开路时的集电结击穿电压。下标 BR 代表击穿之意,是 Breakdown 的字头,C、B 代表集电极和基极,O 代表第三个电极 E 开路。

 

②V(BR)EBO-- 集电极开路时发射结的击穿电压。

 

③V(BR)CEO-- 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

 

对于 V(BR)CER 表示 BE 间接有电阻,V(BR)CES 表示 BE 间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系:

V(BR)CBO≈V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO>V(BR)EBO

 

由最大集电极功率损耗 PCM、ICM 和击穿电压 V(BR)CEO,在输出特性曲线上还可以确定过损耗区、过电流区和击穿区,见图 8。

 

 

半导体三极管的型号

国家标准对半导体三极管的命名如下

 

 

第二位:A 表示锗 PNP 管、B 表示锗 NPN 管、C 表示硅 PNP 管、D 表示硅 NPN 管第三位:X 表示低频小功率管、D 表示低频大功率管、G 表示高频小功率管、A 表示高频小功率管、K 表示开关管。

 

表 1 双极型三极管的参数

 

 

三极管的选用

(1) 一般小功率三极管的选用

小功率三极管在电子电路中的应用最多。主要用作小信号的放大、控制或振荡器。选用三极管时首先要搞清楚电子电路的工作频率大概是多少。如中波收音机振荡器的最高频率是 2MHz 左右;而调频收音机的最高振荡频率为 120MHz 左右;电视机中 VHF 频段的最高振荡频率为 250MHz 左右;

 

UHF 频段的最高振荡频率接近 1000MHz 左右。工程设计中一般要求三极管的 fT 大于 3 倍的实际工作频率。所以可按照此要求来选择三极管的特征频率 fT。由于硅材料高频三极管的 fT 一般不低于 50MHz,所以在音频电子电路中使用这类管子可不考虑 fT 这个参数。

 

小功率三极管 BVCEO 的选择可以根据电路的电源电压来决定,一般情况下只要三极管的 BVCEO 大于电路中电源的最高电压即可。当三极管的负载是感性负载时,如变压器、线圈等时 BVCEO 数值的选择要慎重,感性负载上的感应电压可能达到电源电压的 2~8 倍(如节能灯中的升压三极管)。一般小功率三极管的 BVCEO 都不低于 15V,所以在无电感元件的低电压电路中也不用考虑这个参数。

 

一般小功率三极管的 ICM 在 30~50mA 之间,对于小信号电路一般可以不予考虑。但对于驱动继电器及推动大功率音箱的管子要认真计算一下。当然首先要了解继电器的吸合电流是多少毫安,以此来确定三极管的 ICM。

 

当我们估算了电路中三极管的工作电流(即集电极电流),又知道了三极管集电极到发射极之间的电压后,就可根据 P=U×I 来计算三极管的集电极最大允许耗散功率 PCM。

 

国产及国外生产的小功率三极管的型号极多,它们的参数有一部分是相同的,有一部分是不同的。只要你根据以上分析的使用条件,本着“大能代小”的原则(即 BVCEO 高的三极管可以代替 BVCEO 低的三极管;ICM 大的三极管可以代替 ICM 小的三极管等),就可对三极管应用自如了。

 

(2) 大功率三极管的选用

对于大功率三极管,只要不是高频发射电路,我们都不必考虑三极管的特征频率 fT。对于三极管的集电极 - 发射极反向击穿电压 BVCEO 这个极限参数的考虑与小功率三极管是一样的。对于集电极最大允许电流 ICM 的选择主要也是根据三极管所带的负载情况而计算的。

 

三极管的集电极最大允许耗散功率 PCM 是大功率三极管重点考虑的问题,需要注意的是大功率三极管必须有良好的散热器。即使是一只四五十瓦的大功率三极管,在没有散热器时,也只能经受两三瓦的功率耗散。大功率三极管的选择还应留有充分的余量。另外在选择大功率三极管时还要考虑它的安装条件,以决定选择塑封管还是金属封装的管子。

 

如果你拿到一只三极管又无法查到它的参数,可以根据它的外形来推测一下它的参数。目前小功率三极管最多见的是 TO-92 封装的塑封管,也有部分是金属壳封装。它们的 PCM 一般在 100~500mW 之间,最大的不超过 1W。它们的 ICM 一般在 50~500mA 之间,最大的不超过 1.5A。而其它参数是不好判断的。

 

在修理电子设备中还会遇到形形色色的半导体元器件,它们的替换还需查阅有关手册。

三极管的其他应用

三极管最基本的作用是放大作用,它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号,当然这种转换仍然遵循能量守恒,它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。当三极管的基极上加一个微小的电流时,在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流,即集电极电流。

 

集电极电流随基极电流的变化而变化,并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化,这就是三极管的放大作用。

 

三极管还可以作电子开关,配合其它元件还可以构成振荡器。

 

半导体三极管除了构成放大器和作开关元件使用外,还能够做成一些可独立使用的两端或三端器件

 

(1)扩流。

把一只小功率可控硅和一只大功率三极管组合,就可得到一只大功率可控硅,其最大输出电流由大功率三极管的特性决定,见附图 9(a)。图 9(b)为电容容量扩大电路。利用三极管的电流放大作用,将电容容量扩大若干倍。

 

这种等效电容和一般电容器一样,可浮置工作,适用于在长延时电路中作定时电容。用稳压二极管构成的稳压电路虽具有简单、元件少、制作经济方便的优点,但由于稳压二极管稳定电流一般只有数十毫安,因而决定了它只能用在负载电流不太大的场合。图 9(c)可使原稳压二极管的稳定电流及动态电阻范围得到较大的扩展,稳定性能可得到较大的改善。

 

(2)代换。

图 9(d)中的两只三极管串联可直接代换调光台灯中的双向触发二极管;图 9(e)中的三极管可代用 8V 左右的稳压管。图 9(f)中的三极管可代用 30V 左右的稳压管。上述应用时,三极管的基极均不使用。

 

(3)模拟。

用三极管够成的电路还可以模拟其它元器件。大功率可变电阻价贵难觅,用图 9(g)电路可作模拟品,调节 510 电阻的阻值,即可调节三极管 C、E 两极之间的阻抗,此阻抗变化即可代替可变电阻使用。

 

图 9(h)为用三极管模拟的稳压管。其稳压原理是:当加到 A、B 两端的输入电压上升时,因三极管的 B、E 结压降基本不变,故 R2 两端压降上升,经过 R2 的电流上升,三极管发射结正偏增强,其导通性也增强,C、E 极间呈现的等效电阻减小,压降降低,从而使 AB 端的输入电压下降。调节 R2 即可调节此模拟稳压管的稳压值。

 

 

中、小功率三极管的检测

(1)已知型号和管脚排列的三极管,可按下述方法来判断其性能好坏

1)测量极间电阻。将万用表置于 R×100 或 R×1K 挡,按照红、黑表笔的六种不同接法进行测试。其中,发射结和集电结的正向电阻值比较低,其他四种接法测得的电阻值都很高,约为几百千欧至无穷大。但不管是低阻还是高阻,硅材料三极管的极间电阻要比锗材料三极管的极间电阻大得多。

 

2)三极管的穿透电流 ICEO 的数值近似等于管子的倍数β和集电结的反向电流 ICBO 的乘积。ICBO 随着环境温度的升高而增长很快,ICBO 的增加必然造成 ICEO 的增大。而 ICEO 的增大将直接影响管子工作的稳定性,所以在使用中应尽量选用 ICEO 小的管子。

 

通过用万用表电阻直接测量三极管 e-c 极之间的电阻方法,可间接估计 ICEO 的大小,具体方法如下:

 

万用表电阻的量程一般选用 R×100 或 R×1K 挡,对于 PNP 管,黑表管接 e 极,红表笔接 c 极,对于 NPN 型三极管,黑表笔接 c 极,红表笔接 e 极。要求测得的电阻越大越好。e-c 间的阻值越大,说明管子的 ICEO 越小;反之,所测阻值越小,说明被测管的 ICEO 越大。一般说来,中、小功率硅管、锗材料低频管,其阻值应分别在几百千欧、几十千欧及十几千欧以上,如果阻值很小或测试时万用表指针来回晃动,则表明 ICEO 很大,管子的性能不稳定。

 

3)测量放大能力(β)。目前有些型号的万用表具有测量三极管 hFE 的刻度线及其测试插座,可以很方便地测量三极管的放大倍数。先将万用表功能开关拨至?挡,量程开关拨到 ADJ 位置,把红、黑表笔短接,调整调零旋钮,使万用表指针指示为零,然后将量程开关拨到 hFE 位置,并使两短接的表笔分开,把被测三极管插入测试插座,即可从 hFE 刻度线上读出管子的放大倍数。

 

另外:有此型号的中、小功率三极管,生产厂家直接在其管壳顶部标示出不同色点来表明管子的放大倍数β值,其颜色和β值的对应关系如表所示,但要注意,各厂家所用色标并不一定完全相同。

 

(2)检测判别电极

1)判定基极。用万用表 R×100 或 R×1k 挡测量三极管三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极,而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时,则第一根表笔所接的那个电极即为基极 b。这时,要注意万用表表笔的极性,如果红表笔接的是基极 b。黑表笔分别接在其他两极时,测得的阻值都较小,则可判定被测三极管为 PNP 型管;如果黑表笔接的是基极 b,红表笔分别接触其他两极时,测得的阻值较小,则被测三极管为 NPN 型管。

 

2)判定集电极 c 和发射极 e。(以 PNP 为例)将万用表置于 R×100 或 R×1K 挡,红表笔基极 b,用黑表笔分别接触另外两个管脚时,所测得的两个电阻值会是一个大一些,一个小一些。在阻值小的一次测量中,黑表笔所接管脚为集电极;在阻值较大的一次测量中,黑表笔所接管脚为发射极。

 

3)判别高频管与低频管 高频管的截止频率大于 3MHz,而低频管的截止频率则小于 3MHz,一般情况下,二者是不能互换的。

 

4)在路电压检测判断法

在实际应用中、小功率三极管多直接焊接在印刷电路板上,由于元件的安装密度大,拆卸比较麻烦,所以在检测时常常通过用万用表直流电压挡,去测量被测三极管各引脚的电压值,来推断其工作是否正常,进而判断其好坏。

 

大功率晶体三极管的检测

利用万用表检测中、小功率三极管的极性、管型及性能的各种方法,对检测大功率三极管来说基本上适用。但是,由于大功率三极管的工作电流比较大,因而其 PN 结的面积也较大。PN 结较大,其反向饱和电流也必然增大。所以,若像测量中、小功率三极管极间电阻那样,使用万用表的 R×1k 挡测量,必然测得的电阻值很小,好像极间短路一样,所以通常使用 R×10 或 R×1 挡检测大功率三极管。

 

(1)普通达林顿管的检测

用万用表对普通达林顿管的检测包括识别电极、区分 PNP 和 NPN 类型、估测放大能力等项内容。因为达林顿管的 E-B 极之间包含多个发射结,所以应该使用万用表能提供较高电压的 R×10K 挡进行测量。

 

(2)大功率达林顿管的检测

检测大功率达林顿管的方法与检测普通达林顿管基本相同。但由于大功率达林顿管内部设置了 V3、R1、R2 等保护和泄放漏电流元件,所以在检测量应将这些元件对测量数据的影响加以区分,以免造成误判。具体可按下述几个步骤进行:

 

1)用万用表 R×10K 挡测量 B、C 之间 PN 结电阻值,应明显测出具有单向导电性能。正、反向电阻值应有较大差异。

 

2)在大功率达林顿管 B-E 之间有两个 PN 结,并且接有电阻 R1 和 R2。用万用表电阻挡检测时,当正向测量时,测到的阻值是 B-E 结正向电阻与 R1、R2 阻值并联的结果;当反向测量时,发射结截止,测出的则是(R1+R2)电阻之和,大约为几百欧,且阻值固定,不随电阻挡位的变换而改变。但需要注意的是,有些大功率达林顿管在 R1、R2、上还并有二极管,此时所测得的则不是(R1+R2)之和,而是(R1+R2)与两只二极管正向电阻之和的并联电阻值。

 

(3)带阻尼行输出三极管的检测

将万用表置于 R×1 挡,通过单独测量带阻尼行输出三极管各电极之间的电阻值,即可判断其是否正常。具体测试原理,方法及步骤如下:

 

1)将红表笔接 E,黑表笔接 B,此时相当于测量大功率管 B-E 结的等效二极管与保护电阻 R 并联后的阻值,由于等效二极管的正向电阻较小,而保护电阻 R 的阻值一般也仅有 20~50?,所以,二者并联后的阻值也较小;反之,将表笔对调,即红表笔接 B,黑表笔接 E,则测得的是大功率管 B-E 结等效二极管的反向电阻值与保护电阻 R 的并联阻值,由于等效二极管反向电阻值较大,所以,此时测得的阻值即是保护电阻 R 的值,此值仍然较小。

 

2)将红表笔接 C,黑表笔接 B,此时相当于测量管内大功率管 B-C 结等效二极管的正向电阻,一般测得的阻值也较小;将红、黑表笔对调,即将红表笔接 B,黑表笔接 C,则相当于测量管内大功率管 B-C 结等效二极管的反向电阻,测得的阻值通常为无穷大。

 

3)将红表笔接 E,黑表笔接 C,相当于测量管内阻尼二极管的反向电阻,测得的阻值一般都较大,约 300~∞;将红、黑表笔对调,即红表笔接 D 黑表笔接 E,则相当于测量管内阻尼二极管的正向电阻,测得的阻值一般都较小,约几欧至几十欧。