詳解晶體管的發(fā)展歷程與作用和分類及其結(jié)構(gòu)

晶體管的問(wèn)世，是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個(gè)小巧的、消耗功率低的電子器件，來(lái)代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發(fā)明又為后來(lái)集成電路的降生吹響了號(hào)角。

晶體管的延生

1947年12月23日，在貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家肖克萊、巴丁和布拉頓組成的研究小組證明了20世紀(jì)最重要的發(fā)明：第一只真正的晶體管，從此人類步入了飛速發(fā)展的電子時(shí)代。

在20世紀(jì)最初的10年，半導(dǎo)體材料已經(jīng)開(kāi)始在通信系統(tǒng)應(yīng)用。20世紀(jì)上半葉，在無(wú)線電愛(ài)好者中廣泛流行的礦石收音收，就采用礦石這種半導(dǎo)體材料進(jìn)行檢波。同時(shí)，半導(dǎo)體的電學(xué)特性也在電話系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到1929年，當(dāng)時(shí)工程師利蓮費(fèi)爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，制造這種器件的材料達(dá)不到足夠的純度，而使這種晶體管無(wú)法制造出來(lái)。

基于電子管處理高頻信號(hào)的效果不理想，人們就想辦法改進(jìn)礦石收音機(jī)中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器里，有一根與半導(dǎo)體礦石表面相接觸的金屬絲，它既能讓信號(hào)電流沿一個(gè)方向流動(dòng)，又能阻止信號(hào)電流朝相反方向流動(dòng)。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前夕，貝爾實(shí)驗(yàn)室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)摻有某種極微量雜質(zhì)的鍺晶體的性能不僅優(yōu)于礦石晶體，而且在某些方面比電子管整流器還要好。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，不少實(shí)驗(yàn)室在有關(guān)硅和鍺材料的制造和理論研究方面，也取得了不少成績(jī)，這就為晶體管的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，為了克服電子管的局限性，貝爾實(shí)驗(yàn)室加緊了對(duì)固體電子器件的基礎(chǔ)研究。肖克萊等人探討用半導(dǎo)體材料制作放大器件的可能性，決定集中研究鍺、硅等半導(dǎo)體材料。

1945年秋天，貝爾實(shí)驗(yàn)室正式成立了以肖克萊為首的半導(dǎo)體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。其中，布拉頓早在1929年就開(kāi)始在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作，長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體的研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。他們經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)和觀察，逐步認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體中電流放大效應(yīng)產(chǎn)生的原因。在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細(xì)針并通上電流，然后讓另一根細(xì)針盡量靠近它，并通上微弱的電流，這樣就會(huì)使原來(lái)的電流產(chǎn)生很大的變化。微弱電流少量的變化，會(huì)對(duì)另外的電流產(chǎn)生很大的影響，這就是“放大”作用。

布拉頓等人還想出有效的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)這種放大效應(yīng)。他們?cè)诨鶚O和發(fā)射極之間輸入一個(gè)弱信號(hào)，在基極和集電極之間的輸出端，就放大為一個(gè)強(qiáng)信號(hào)了。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，上述晶體三極管的放大效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。

巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數(shù)為50左右。不久之后，他們利用兩個(gè)靠得很近（相距0.05毫米）的觸須接點(diǎn)，來(lái)代替金箔接點(diǎn)，制造了“點(diǎn)接觸型晶體管”。1947年12月，這個(gè)世界上最早的實(shí)用半導(dǎo)體器件終于問(wèn)世了，在首次試驗(yàn)時(shí)，它能把音頻信號(hào)放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。

在為這種器件命名時(shí)，布拉頓想到它的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉(zhuǎn)移電流來(lái)工作的，于是取名為trans-resister（轉(zhuǎn)換電阻），后來(lái)縮寫(xiě)為transistor，中文譯名就是晶體管。

點(diǎn)接觸型晶體管有自己的缺點(diǎn)，它存在噪聲大、在功率大時(shí)難于控制、適用范圍窄，另外制造工藝復(fù)雜，致使許多產(chǎn)品出現(xiàn)故障等缺點(diǎn)。為了克服以上缺點(diǎn)，肖克萊提出了用一種“整流結(jié)”來(lái)代替金屬半導(dǎo)體接點(diǎn)的大膽設(shè)想。

終于在1950年，第一只“面結(jié)型晶體管”問(wèn)世了。它的性能與原來(lái)設(shè)想的完全一致。1956年，因發(fā)明晶體管，肖克萊、巴丁、布拉頓三人同時(shí)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。今天的晶體管，大部分仍是這種面結(jié)型晶體管。

1954 年，隨著第一臺(tái)晶體管無(wú)線電的售出，晶體管成為大眾文化的一部分，這是為晶體管發(fā)明者們所稱道的一個(gè)發(fā)展。

直到 20 世紀(jì)50年代后期，晶體管成為了電子電話轉(zhuǎn)接系統(tǒng)的一個(gè)不可分割的組成部分，也成為便攜式收音機(jī)、計(jì)算機(jī)和雷達(dá)等其它重要產(chǎn)品和服務(wù)的關(guān)鍵組件。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，晶體管的運(yùn)行速度更快，可靠性更高，成本也更低。1959 年，隨著能夠?qū)⒋罅康木w管及其它電子器件集成到一塊硅片上的集成電路的發(fā)明，晶體管取得了新的突破。

這些微芯片不僅使得晶體管的創(chuàng)新達(dá)到了新的高度，而且還推動(dòng)了信息時(shí)代的發(fā)展。

自晶體管發(fā)明以來(lái)，其尺寸不斷縮小，到現(xiàn)在，60億（相當(dāng)于目前全球人口數(shù)量）枚晶體管所占面積不過(guò)僅為一張信用卡的大小而已。

晶體管的結(jié)構(gòu)特性

晶體管的結(jié)構(gòu)

晶體管內(nèi)部由兩PN結(jié)構(gòu)成，其三個(gè)電極分別為集電極（用字母C或c表示），基極（用字母B或b表示）和發(fā)射極（用字母E或e表示）。如圖5-4所示，晶體管的兩個(gè)PN結(jié)分別稱為集電結(jié)（C、B極之間）和發(fā)射結(jié)（B、E極之間），發(fā)射結(jié)與集電結(jié)之間為基區(qū)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，晶體管可分為PNP型和NPN型兩類。在電路圖形符號(hào)上可以看出兩種類型晶體管的發(fā)射極箭頭（代表集電極電流的方向）不同。PNP型晶體管的發(fā)射極箭頭朝內(nèi)，NPN型晶體管的發(fā)射極箭頭朝外。

三極管各個(gè)電極的作用及電流分配

晶體管三個(gè)電極的電極的作用如下：發(fā)射極（E極）用來(lái)發(fā)射電子；基極（B極）用來(lái)控制E極發(fā)射電子的數(shù)量；集電極（C極）用業(yè)收集電子。

晶體管的發(fā)射極電流IE與基極電流IB、集電極電流IC之間的關(guān)系如下：IE=IB+IC

晶體管的工作條件

晶體管屬于電流控制型半導(dǎo)體器件，其放大特性主要是指電流放大能力。所謂放大，是指當(dāng)晶體管的基極電流發(fā)生變化時(shí)，其集電極電流將發(fā)生更大的變化或在晶體管具備了工作條件后，若從基極加入一個(gè)較小的信號(hào)，則其集電極將會(huì)輸出一個(gè)較大的信號(hào)。

晶體管的基本工作條件是發(fā)射結(jié)（B、E極之間）要加上較低的正向電壓（即正向偏置電壓），集電結(jié)（B、C極之間）要加上較高的反向電壓（即反向偏置電壓）。

晶體管發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓約等于PN結(jié)電壓，即硅管為0.6~0.7V，鍺管為0.2~0.3V。集電結(jié)的反向偏置電壓視具體型號(hào)而定。

晶體管的工作狀態(tài)

晶體管有截止、導(dǎo)通和飽和三種狀態(tài)。在晶體管不具備工作條件時(shí)，它處截止?fàn)顟B(tài)，內(nèi)阻很大，各極電流幾乎為0。

當(dāng)晶體管的發(fā)射結(jié)加下合適的正向偏置電壓、集電結(jié)加上反向偏置電壓時(shí)，晶體管導(dǎo)通，其內(nèi)阻變小，各電極均有工作電流產(chǎn)生（IE=IB+IC）。適當(dāng)增大其發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓、使基極電流IB增大時(shí)，集電極電流IC和發(fā)射極電流IE也會(huì)隨之增大。

當(dāng)晶體管發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓增大至一定值（硅管等于或略高于0.7V，鍺管等于或略高于0.3V0時(shí)，晶體管將從導(dǎo)通放大狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)集電極電流IC將處于較大的恒定狀態(tài)，且已不受基極電流IB控制。晶體管的導(dǎo)通內(nèi)阻很小（相當(dāng)于開(kāi)關(guān)被接通），集電極與發(fā)射極之間的電壓低于發(fā)射結(jié)電壓，集電結(jié)也由反偏狀態(tài)變?yōu)檎珷顟B(tài)。

晶體管的主要分類及型號(hào)

高頻晶體管

高頻晶體管（指特征頻率大于30MHZ的晶體管）可分為高頻小功率晶體管和高頻大功率晶體管。

常用的國(guó)產(chǎn)高頻小功率晶體管有3AG1~3AG4、3AG11~3AG14、3CG3、3CG14、3CG21、3CG9012、3CG9015、3DG6、3DG8、3DG12、3DG130、3DG9011、3DG9013、3DG9014、3DG9043等型號(hào)。

常用的進(jìn)口高頻小功率晶體管有2N5551、2N5401、BC148、BC158、BC328、BC548、BC558、9011~9015、S9011~S9015、TEC9011~TEC9015、2SA1015、2SC1815、2SA562、2SC1959、2SA673、2SC1213等型號(hào)。

高頻中、大功率晶體管一般用于視頻放大電路、前置放大電路、互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路、高壓開(kāi)關(guān)電路及行推動(dòng)等電路。

常用的國(guó)產(chǎn)高頻中、大功率晶體管有3DG41A~3DG41G、3DG83A~3DG83E、3DA87A~3DA87E、3DA88A~3DA88E、3DA93A~3DA93D、3DA151A~3DG151D、3DA1~3DA5、3DA100~3DA108、3DA14A~3DA14D、3DA30A~3DA30D、3DG152A~3DG152J、3CA1~3CA9等型號(hào)。

常用的進(jìn)口高頻中、大功率晶體管有2SA634、2SA636、2SA648A、2SA670、2SB940、2SB734、2SC2068、2SC2258、2SC2371、2SD1266A、2SD966、2SD8829、S8050、S8550、BD135、BD136等型號(hào)，各管的主要參數(shù)見(jiàn)表5-4。

超高頻晶體管

超高頻晶體管也稱微波晶體管，其頻率特性一般高于500MHZ，主要用于電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、通信等領(lǐng)域中處理微波波段（300MHZ以上的頻率）的信號(hào)。

常用的國(guó)產(chǎn)超高頻晶體管有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等型號(hào)。

常用的進(jìn)口超高頻晶體管有2SA130、2SA1855、2SA1886、2SC286~2SC288、2SC464~2SC466、2SD1266、BF769、BF959等型號(hào)。

中、低頻晶體管

低頻晶體管的特征頻率一般低于或等于3MHZ，中頻晶體管的特征頻率一般低于30MHZ。

中、低頻小功率晶體管

中低頻小功率晶體管主要用于工作頻率較低、功率在1W以下的低頻放大和功率放大等電路中。

常見(jiàn)的國(guó)產(chǎn)低頻小功率晶體管有3AX1~3AX15、3AX21~3AX25、3AX31、3BX31、3AX81、3AX83、3AX51~3AX55、3DX200~3DX204、3CX200~3CX204等型號(hào)，表5-7是各管的主要參數(shù)。

常用的進(jìn)口中、低頻小功率晶體管有2SA940、2SC2073、2SC1815、2SB134、2SB135、2N2944~2N2946等型號(hào)。

中、低頻大功率晶體管

中、低頻大功率晶體管一般用在電視機(jī)、音響等家電中作為電源調(diào)整管、開(kāi)關(guān)管、場(chǎng)輸出管、行輸出管、功率輸出管或用在汽車電子點(diǎn)火電路、逆變器、不間斷電源（UPS）等系統(tǒng)中。

常用的國(guó)產(chǎn)低頻大功率晶體管有3DD102、3DD14、3DD15、3DD52、DD01、DD03、D74、3AD6、3AD30、3DA58、DF104等型號(hào)，表5-9是各管的主要參數(shù)。

常用的進(jìn)口中、低頻大功率晶體管有2SA670、2SB337、2SB556K、2SD553Y、2SD1585、2SC1827、2SC2168、BD201~BD204等型號(hào)，表5-10是各管的主要參數(shù)。

互補(bǔ)對(duì)管

為了提高功率放大品的輸出功率和效率，減小失真，功率放大器通常采用推挽式功率放大電路，即由兩只互補(bǔ)晶體管分別放大一個(gè)完整正弦波的正、負(fù)半周信號(hào)。這要求兩只互補(bǔ)晶體管的材料相， ，性能參數(shù)（例如耗散功率PCM、最大集電極電流ICM、最高反向電壓VCBO、電流放大系數(shù)hFE、特征頻率fT等）也要盡可能一致使用前應(yīng)進(jìn)行挑選“配對(duì)”。

互補(bǔ)對(duì)管一般采用異極性對(duì)管，即兩只晶體管一只為NPN型管，另一只為PNP型管。

開(kāi)關(guān)晶體管

開(kāi)關(guān)晶體管是一種飽和與截止?fàn)顟B(tài)變換速度較快的晶體管，廣泛應(yīng)用于各種脈沖電路、開(kāi)關(guān)電路及功率輸出電路中。

開(kāi)關(guān)晶體管分為小功率開(kāi)關(guān)晶體管和高反壓大功率開(kāi)關(guān)晶體管等

小功率開(kāi)關(guān)晶體管一般用于高頻放大電路、脈沖電路、開(kāi)關(guān)電路及同步分離電路等。常用的國(guó)產(chǎn)小功率開(kāi)關(guān)晶體管有3AK系列3CK系列和3DK系列。

高反壓大功率開(kāi)關(guān)晶體管 高反壓大功率開(kāi)關(guān)晶體管通常均為硅NPN型，其最高反向電壓VCBO高于800V，主要用于彩色電視機(jī)、電腦顯示器中作開(kāi)關(guān)電源管、行輸出管或用于汽車電子點(diǎn)火器、電子鎮(zhèn)流器、逆變器、不間斷電源（UPS）等產(chǎn)品中。常用的高反壓大功率開(kāi)關(guān)晶體管有2SD820、2SD850、2SD1401、2SD1403、2SD1432~2SD1433、2SC1942等型號(hào)。

帶阻尼行輸出管

帶阻尼行輸出管是將高反壓大功率開(kāi)關(guān)晶體管與阻尼二極管、保護(hù)電阻封裝為一體構(gòu)成的特殊電子器件，主要用于彩色電視機(jī)或電腦顯示器中。

帶阻尼行輸出管有金屬封裝（TO-3）和塑封（TO-3P）兩種封裝形式。

差分對(duì)管

差分對(duì)管也稱孿生對(duì)管或一體化差分對(duì)管，它是將兩只性能參數(shù)相同的晶體管封裝在一起構(gòu)成的電子器件，一般用在音頻放大器或儀器、儀表中作差分輸入放大管。

差分對(duì)管有NPN型和PNP型兩種結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的國(guó)產(chǎn)NPN型差分對(duì)管有3DG06A~3DG06D等型號(hào)。PNP型差分對(duì)管有3CSG3、ECM1A等型號(hào)。

常見(jiàn)的進(jìn)口NPN型差分對(duì)管有2SC1583等型號(hào)，PNP型差分對(duì)管有2SA798等型號(hào)。

達(dá)林頓管

達(dá)林頓管也稱復(fù)合晶體管，具有較大的電流放大系數(shù)及較高的輸入阻抗。它又分為普通達(dá)林頓管和大功率達(dá)林頓管。

普通達(dá)林頓管通常由兩只晶體管或多只晶體管復(fù)合連接而成，內(nèi)部不帶保護(hù)電路，耗散功率在2W以下。

普通達(dá)林頓管一般采用TO-92塑料封裝，主要用于高增益放大電路或繼電器驅(qū)動(dòng)電路等。常用的普通達(dá)林頓管有PN020、MP-SA6266等型號(hào)。

大功率達(dá)林頓管在普通達(dá)林頓管的基礎(chǔ)上，增加了由泄放電阻和續(xù)流二極管組成的保護(hù)電路，穩(wěn)定性較高，驅(qū)動(dòng)電流更大。

大功率達(dá)林頓管一般采用TO-3金屬封裝或采用TO-126、TO-220、TO-3P等外形塑料封裝，主要用于音頻功率放大、電源穩(wěn)壓、大電流驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)控制等電路。

帶阻晶體管

帶阻晶體管是將一只或兩只電阻器與晶體管連接后封裝在一起構(gòu)成的，作反相器或倒相器，廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、影碟機(jī)、錄像機(jī)等家電產(chǎn)品中。其封裝外形有EM3、UMT、SST（美國(guó)或歐洲SOT-23）、SMT（SC-59/日本SOT-23）、MPT（SOT-89）、FTR和TO-92等，耗散功率為150~400mW。

帶阻晶體管的電路圖形符號(hào)及文字符號(hào) 帶阻晶體管目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，在不同廠家的電子產(chǎn)品中電路圖形符號(hào)及文字符號(hào)的標(biāo)注方法也不一樣。例如，日立、松下等公司的產(chǎn)品中常用字母“QR”來(lái)表示，東芝公司用字母“RN”來(lái)表示，飛利浦及NEC（日電）等公司用字母“Q”表示，還有的廠家用“IC”表示，國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品中可以使用晶體管的文字符號(hào)，即用字母“V”或“VT”來(lái)表示。圖5-12是不同廠家電子產(chǎn)品中帶阻晶體管常用的電路圖形符號(hào)。

常用的進(jìn)口帶阻三極管有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系列等多種。常用的國(guó)產(chǎn)帶阻晶體管有GR系列等。

光敏三極管

光敏三極管是具有放大能力的光-電轉(zhuǎn)換三極管，廣泛應(yīng)用于各種光控電路中。

在無(wú)光照射時(shí)，光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，無(wú)電信號(hào)輸出。光當(dāng)信號(hào)照射其基極（受光窗口）時(shí)，光敏三極管將導(dǎo)通，從發(fā)射極或集電極輸出放大后的電信號(hào)。

光敏三極管在電路中的文字符號(hào)與普通三極管相同，用字母“V”或“VT”表示。

光敏三極管有塑封、金屬封裝（頂部為玻璃鏡窗口）環(huán)氧樹(shù)脂、陶瓷等多種封裝結(jié)構(gòu)，引腳也分為兩腳和三腳型。

常用的國(guó)產(chǎn)光敏三極管以硅NPN型為主有3DU11~3DU13、3DU21~3DU23、3DU31~3DU33、3DU51A~3DU51C、3DU51~3DU54、3DU111~3DU113、3DU121~3DU123~3DU131~3DU133、3DU311~3DU333、3DU411~3DU433、3DU80等型號(hào)。

磁敏三極管

磁敏三極管是一種對(duì)磁場(chǎng)敏感的磁-電轉(zhuǎn)換器件，它可以將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

常見(jiàn)的磁敏三極管有3CCM和4CCM等型號(hào)。3CCM采用雙極型結(jié)構(gòu)，具有正、反向磁靈敏度極性，有確定的磁敏感面（通常用色點(diǎn)標(biāo)注）。

磁敏三極管一般用于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、防盜等各種磁控電路中。

恒流三極管

恒流三極管是一種可以調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電流的特殊器件。它的三個(gè)電極分別是陽(yáng)極（正極）A陰極（負(fù)極）C和控制極G。通過(guò)改變恒流三極管控制極的電壓，即可調(diào)節(jié)恒流值的大小。

恒流三極管一般用于限流保護(hù)和恒流標(biāo)準(zhǔn)電源，也可在直流電源等電路中作恒流器件。常用的恒流三極管有3DH010~3DH050等型號(hào)，其恒流范圍為5~500Ma，工作電壓為5~80V。
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