本網頁網址 http://www.phy.ntnu.edu.tw/class/demolab/electronics/transistor.html

三極體(電晶體)Transistor


八十八學年度即將實施新的高中課程標準,增添了有關於電子學的(課程標準)單元。

由於我負責三極體單元的介紹。以下是為了台灣省高中教師研習班教學時所準備三極體單元的內容綱要:(二極體部份如果以後有空再詳加介紹)。


為什麼要學習 二極體、三極體(電晶體)等的基本元件?

現在的科技日益進步,IC 已成為 基本名詞。想要放大信號 找個 OP放大器便可。

電腦的 CPU 更是超級(數量與功能)的 IC 。

其實 IC 內部就是由很多個 二極體、三極體與電阻電容等組成。

因此對於這些基本元件的認識,算是現代國民的基本常識。


自然界的物質依照導電性可以區分為三類:

導體:如 銅、鋁、鐵等。其電導係數 conductivity 約為 107 (歐姆-米)-1

絕緣體:如玻璃、橡膠、鐵福龍等。其電導係數約為 10-9 至 10-14 (歐姆-米)-1

半導體:如 矽 (2.2) 與 鍺 ( 1.6×10-3 ) (歐姆-米)-1

請注意其電導係數 相差非常大。 半導體(為第四族元素) 加上少量 第三或第五族 元素 當作雜質後, 可形成 N型(以電子為多數載體)或 P型(以電洞為多數載體) 半導體。 藉由這些雜質的加入,改變材料的電導係數。

而且半導體的電阻值會隨著溫度的增加而減少。


電阻、電容、電感等 都是只有兩個端點的元件,

其他條件皆相同,但流經元件的電壓加倍時,元件兩端的電流也加倍。

電容與電感另有其特殊的性質,可與電阻組合成積分器或微分器,也可做成濾波器。

因此這一類的元件又被稱為線性元件。

二極體也是只有兩個端點,但是電流只能朝某一特定方向流動。 順向電流遠大於逆向電流,遠超過千倍以上。

而且其電流與電壓之間並非線性的關係。

隨著順向電壓的增加,電阻增加的更快。

當電壓超過某值時(通常鍺 0.2V,矽 0.6V)後電流上昇的很快。

VT ≡ T / 11,600 , T 為溫度 室溫下 T = 300K, VT = 0.026 V = 26 mV

η約為 1 - 2。

當加在二極體的電壓很小時 V<VT 時,電流幾乎為定值。

當電壓超過某定值Vγ(切入電壓cutinvoltage)後,電流才會開始迅速增加。

鍺的Vγ 約為 0.2 V, 矽的Vγ 約為 0.6V。 當 V>>VT 後,指數項 後面減 1 的部份可以忽略,則 log I = log Io + 0.434 V/(ηVT ) 二極體 電壓與電流的比值(R ≡ V/I 也就是靜電組 static resistor ) 會隨著電流變動而變化。 若定義 動電阻(dynamic resistor) r ≡ dV/dI ,則將上式微分可得

( 1/r ) = (I + Io )/ (ηVT)

當 V>>VT 時, r ∼ ηVT /I

也就是動電阻與電流成反比。

若 I 為 1mA 當 η=1 時 r = 26 Ω(歐姆)

當處理大信號時,可將二極體當作如右圖的近似

當電壓小於切入電壓 Vγ 時,電流為零(斷路)。

當電壓大於切入電壓 將其近似為一電阻 r

簡單介紹二極體後,接下來我要趕快進入 三極體的主題。



 

三極體俗稱電晶體,英文原文為 Tran-sistor 乃 transfer Resistor 的縮寫。

它是一種有三個接頭的元件,若共用一個接頭則可以形成

如圖 有輸入與輸出端的裝置。三極體的三個端點

分別稱為 射極 Emitter 基極 Base 與集極 Collector。

三極體 輸入端 與輸出端 的 阻抗(電阻)不同,因而稱為 transfer Resistor

半導體有 P型 與 N型 兩類,

射極與集極由同一類半導體組成,基極則由另一類半導體組成。 因此 可以 PNP 或 NPN 兩類型的三極體。如右圖

若 射極與集極為 P 型,基極為 N 型:

則為稱 PNP 型半導體。 反之,若 射極與集極為 N 型,基極為 P 型: 則為稱 NPN 型半導體。基極區域實際上比右圖所示更薄。如下圖

注意:基極厚度僅約 25μm 與集極、射極相差百倍。


構造:

接頭:基極 B(Base),集極 C(Collector),射極 E(Emitter) 符號中有箭頭的那一端 稱為射極。 型式: PNP與 NPN

電晶體射極箭頭表示電流的方向。(也可據此辨識 PNP 或 NPN 電晶體)


電晶體的製造方法:
 

點接觸式 
Point-Contact
合金接合式
Alloy Junction
成長接合式
Grown Junction

高台式電晶體 (擴散 → 合金 → 蝕刻)

Epitaxial Mesa Transistor
Flate Surface

電晶體的包裝與接頭識別:


若電晶體兩端不外加偏壓,則電晶體就如同兩組相向的二極體,

一個斷路且對稱的 PNP 電晶體 其電位變化與少數載體濃度如下示意圖,

每一區域內少數載體濃度等於其熱平衡值。


放大信號(電流放大):主要用於 類比電路。

控制電路(開關):主要用於 數位電路。


下圖為電晶體放大作用示意圖

藉由改變輸入端(微弱)的電流 而影響 輸出端 電壓的信號強弱。

因此我們說 (一般)電晶體是 電流放大作用。

** 註:場效電晶體(FET)則藉由電場的改變 影響輸出電壓訊號。

因為共用的端點不同可以有 共射極、共基極與共集極的電路組態。


電晶體的符號:
 

高頻 低頻
PNP 2SA 2SB
NPN 2SC 2SD
電晶體是由兩組 二極體相向 組合而成,
當二極體的兩端接上順向與逆向偏壓時會有不同的行為。如下圖

形成斷路

電流導通

因此 電晶體 不同提供電源方式的方式會影響電晶體的功能。如下表


 
區域 BE間 CE間 用途
截斷 逆向 逆向 開關的 OFF
飽和 順向 順向 開關的 ON
線性 順向 逆向 放大


如下圖則是一個 PNP 型電晶體在 線性操作區域內 射極被施以順向偏壓,集極被施以反相偏壓(a) 整個電晶體的電位變化(b)與 晶體每一區域的少數載體濃度(c)

詳細電晶體內電流的分量 ,如下圖



 
單獨考慮射極與基極間施加順向偏壓,

(則與二極體順向偏壓相同)

使得空乏區域寬度減少。

由 P型材料流向N型材料的電洞是多數載體。

由於施加順向偏壓故電流成分主要是多數載體。

單獨考慮基極與集極間施加逆向偏壓,

(則與二極體順向偏壓相同)

因而增大空乏區域的寬度。

僅存著少數載體流動。

當 PNP 電晶體同時施以上述兩種偏壓時,

結果產生了多數載體流與少數載體流。

射極的多數載體將由於順向偏壓而

擴散至基極N型材料內,由於N型材料很薄,

導電係數低,故流向基極接頭的載體很少。

而且基極與集極間為逆向偏壓,故電流主要靠少數載體。

而多數則繼續擴散至集極的P型材料。

為何多數載體能通過處於逆向偏壓的PN接合?

由射極流向基極的主要載體,進入基極集極介面間

反而成為少數載體!(多巧妙的配合)

受到加速的『電場作用力』流向集極。

整個過程中,電流載體由『射極』emitter 提供,

經過基極 base 而後,大多數被『集極』collector 收集。

通常基極電流僅為 微安培 μA,集極電流則為豪安培 mA


以共同射極電路為例(如右圖)

基極與射極間施加較小的順向偏壓,

而 集極與射極間施加較大的逆向偏壓,

以使得 集極與基極間形成 逆向偏壓。

射極與基極間的順向偏壓使得電子

由 射極流向基極(電洞由基極流向射極)。

由於電晶體的構造(基極很薄),

只有極少部份的電子由基極流出(基極電流)。

大部份的電子會進入集極而形成集極電流。

IE = IB + IC , 射極電流 = 基極電流 + 集極電流



 

基極電流與基極電壓間的關係圖(IB-VB

基極特性曲線

* 注意每個物理量的數量級

由於射極與基極間為順向偏壓,因此 基極特性曲線 與 二極體的特性曲線相似。


 

集極電流與集極電壓間的關係圖

集極特性曲線

* 注意每個物理量的數量級

上圖 縱軸為 集極電流 橫軸為集極電壓,每一條曲線則對應於不同的 基極電流。
稱為集極特性曲線。 由圖中可發現 集極電流受 集極電壓的影響很小。(緩緩上昇)

集極電流則 主要受到 基極電流的影響。(而且幾乎成線性比例變化)。

基本放大電路:
  1. 射--基極順向偏壓,集--基極逆向偏壓。

  2. 射極與基極間的工作性質幾乎近似普通的二極體(交流電阻∼ 25-50 mV/IE)。

    集極電流幾乎等於射極電流 IC ∼ I

    ** 註:IE 與 Ie 有何不同意義?

    集極電壓在零與破壞電壓之間為一控制式電流電源 -- 集極電流被射極電流所控制。

  3. 基極電流非常小,等於射極電流與集極電流之差。
IB = IE - IC

基射極間偏壓對於 集極電流的影響(細部圖)


 


直流電流放大率 β 定義為: β ≡ ΔIC /ΔIB (典型 β 值 由 20 - 200 )

電壓增益:增益 =輸出電壓的變化量/輸入電壓的變化量。

電流增益 :α = ΔIC/ΔIE < 1 (約 0.95-0.999)。

電流增益雖接近於 1, 由於阻抗不同可有很高 功率增益。
電晶體的最大額定值: 標準的電晶體數據至少應含有以下最大額定值:
    1. 集極功率損耗
    2. 集極電壓
    3. 集極電流

電晶體的應用:

放大電路的設計:
參數
共基極 
共射極
共集極(射極耦合)
相位
同向
反向
同向
輸入組抗Ω 
低 60-100
700-1000
高 300k-600k
輸出組抗Ω
高 0.5M-1.0M
50k
小 100
電流增益
< 1 
50
50
電壓增益
150 
500
< 1
功率增益
450
800
-250

(以上表中數值均為約略參考數值)


穩流電路的設計:

半導體的電阻值隨溫度增加而漸減(負溫度係數)。

相同的偏壓下,電晶體由於工作或四周環境通風不良,造成溫度增加。

則電晶體的電流增加,於是 消耗更多電能,溫度更高。則電阻更小 ...

如此循環很容易造成 電晶體過負荷。


固定偏壓電路:用同一電源提供 基射極間順向偏壓與 集基極間逆向偏壓。

溫度的改變將 造成直流偏壓點的位移(負載線)
利用回授增加穩定度:


實驗內容:共射極電路的電晶體特性曲線。
測量電晶體的 IB-VBE 的特性曲線。
      1. 固定 VCE = 1.0V, 逐漸增加 VBE(由 0.0-0.5V起 每次增加約 0.1V),測量 IB 值。
      2. 分別改變 VCE= 5.0, 10.0, 15.0, 20.0V , 重複上一步驟。
      3. 在方格紙上畫出 五條 IB-VBE 的特性曲線 。
測量電晶體的 IC-VCE 的特性曲線。
      1. 固定 IB=0.0A. 逐漸由零增加 Vce (0.0, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 6.0... 16.0), 分別測量 IC 電流。
      2. 分別改變 IB = (10, 20, 30 ...60)μA 重複上一步驟。
      3. 在方格紙上畫出 六條 IC-VCE 的特性曲線 。
估算出直流放大率 :

八十八學年度即將實施新的高中課程標準,電子學單元的內容:

三 電子學
教學節數:七節
實驗節數:二節

    1. 半導體
    1. 二極體
    1. 三極體
    1. 場效電晶體
    1. 微電子技術
實驗節數:二小時 配合主題柒『電子學』中 二極體及三極體內容。
      1. 測量普通二極體和發光二極體之順向及反向電壓與電流,並繪出 I—V特性曲線並加以比較。
      2. 測量電晶體NPN或PNP的 IB—VBE 及 IC—VCE特性曲線,並求出直流電流放大率。

歡迎批評指教!電子郵件 : 請按hwang@phy03.phy.ntnu.edu.tw

作者:國立台灣師範大學 物理系 黃福坤
最後修訂時間 since 2011/06/20