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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 

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電力晶體管

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

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內被吸收,產生光生載流子,通過內部電放大機構,產生光電流增益。光晶體管三端工作,故容易實現電控或電同步。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

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。雙極晶體管根據工作電壓的極性而可分為NPN型或PNP型。


雙極結型

“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,發射極和基極,集電極從集電區引出,發射極從發射區引出,基極從基區引出(基區在中間);BJT有放大作用,重要依靠它的發射極電流能夠通過基區傳輸到達集電區而實現的,為了保證這一傳輸過程,一方面要滿足內部條件,即要求發射區雜質濃度要遠大于基區雜質濃度,同時基區厚度要很小,另一方面要滿足外部條件,即發射結要正向偏置(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:共發射極、共基極和共集電極放大電路。


場效應晶體管

“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,FET只由一種載流子(多數載流子)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、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點。


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)中多數載流子的密度或類型。它是由電壓調制溝道中的電流,其工作電流是由半導體中的多數載流子輸運。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大規模集成電路和MES超高速集成電路的基礎器件。


靜電感應

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通態電阻較大,使得通態損耗也大,因而SIT還未在大多數電力電子設備中得到廣泛應用。


單電子晶體管

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展,大規模集成電路的集成度越來越高。以動態隨機存儲器(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)等人在實驗上發現了庫侖阻塞現象。在調制摻雜異質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。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,但離實用還有相當的距離。


IGBT

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,集電極和發射極。


功率開關管

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,開關電源中經常使用的是P - MOSFET和IGBT。

選擇功率開關管時,應根據變換器類型、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。


雙極結型晶體管

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),其內部有電子和空穴兩種載流子。根據半導體類型的不同,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,即工作在截止區或飽和區。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,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是在特定條件且環境溫度為+25度數值。當環境溫度高于+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,使之不超過BJT的安全工作區.



參數

晶體管的主要參數有電流放大系數、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

直流電流放大系數也稱靜態電流放大系數或直流放大倍數,是指在靜態無變化信號輸入時,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

交流放大倍數,也即交流電流放大系數、動態電流放大系數,是指在交流狀態下,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既有區別又關系密切,兩個參數值在低頻時較接近,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,是指晶體管參數變化不超過規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值等參數將發生明顯變化,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—發射極反向擊穿電壓、集電極—基極反向擊穿電壓和發射極—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,其集電極與發射極之間的最大允許反向電壓,一般用VCEO或BVCEO表示?;鶚O—— 基極反向擊穿電壓該電壓是指當晶體管發射極開路時,其集電極與基極之間的最大允許反向電壓,用VCBO或BVCBO表示。


發射極——發射極反向擊穿電壓

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生相當高的干擾電壓


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